#48 Die moderne Kosmologie und der Anfang des Universums

Dr. craig’s response

Ich bin gerade dabei, einen Artikel über das kalām-kosmologische Argument fertigzustellen, den ich mit James Sinclair für einen bald erscheinenden Blackwell-Band mit dem Titel Companion to Natural Theology[1] geschrieben habe. Jim schreibt den Abschnitt über die empirische Evidenz der astrophysikalischen Kosmologie für den Anfang des Universums. Es ist ihm wunderbar gelungen, den aktuellen Stand in diesem Gebiet zusammenzufassen, wovon ich Ihnen hier einen kleinen Vorgeschmack gebe.

Um zuerst jedoch Ihre Frage zu beantworten: Das Standard-Urknallmodell enthält eine Anfangssingularität. Das Modell kann diese Eigenschaft nicht verlieren und dasselbe Modell bleiben. Es steht daher völlig außer Frage, ob das Standardmodell noch eine Singularität hat. Was die Physiker, die Sie interviewt haben, meinten, ist, dass das Standardmodell heute nicht mehr die vorherrschende Meinung darstellt. Sie behaupten, dass das Standardmodell zwar vor 25 Jahren akzeptiert wurde, heute aber nicht mehr.

Nun, in einem gewissen Sinn ist das wahr. Das Standard-Urknallmodell muss verschiedentlich modifiziert werden. Das Modell basiert beispielsweise auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Doch Einsteins Theorie bricht zusammen, wenn der Raum auf subatomare Proportionen zusammenschrumpft. An dieser Stelle müssen wir die Quantenphysik anwenden, und keiner weiß genau, wie man das anstellen soll. Das meinten die Physiker, als sie gesagt haben, dass der Urknall nur bis zur Planck-Zeit zurückgeht. (Was übrigens keine neue Erkenntnis ist; alle wussten immer, dass die Allgemeine Relativität spätestens hier zusammenbricht.) Zudem ist die Ausdehnung des Universums, entgegen dem Standardmodell, wahrscheinlich nicht konstant. Sie wird wahrscheinlich immer schneller und hatte vielleicht einmal einen kurzen Moment extrem schneller oder inflationärer Ausdehnung.

Doch keine dieser Anpassungen betrifft die grundlegende Prognose des absoluten Anfangs des Universums.

Ja, Jims Betrachtung der modernen Kosmologie bekräftigt, wie robust die Prognose eines absoluten Anfangs im Standardmodell auch weiterhin ist. Er berücksichtigt drei große Forschungsprogramme, die zur Zeit auf Basis möglicher Ausnahmen in den Hawking-Penrose Singularitätstheoremen durchgeführt werden, die die Prognose einer anfänglichen kosmologischen Singularität im Standardmodell stützen. Dazu gehören (1) Geschlossene zeitartige Kurven, (2) Verstoß gegen die starke Energiebedingung (ewige Inflation) und (3) die Falschheit der Allgemeinen Relativität (Quantengravitation). Das erste postuliert eine exotische Raumzeit mit zirkulärer Zeit in der Vergangenheit und wird daher von den allermeisten Kosmologen nicht sonderlich ernst genommen. Von wirklicher Bedeutung sind die beiden anderen Programme.

In Bezug auf die Alternative der ewigen Inflation haben manche Theoretiker in den 1980er Jahren gesagt, dass die inflationäre Expansion des Universums vielleicht nicht auf eine kurze Zeit in der anfänglichen Geschichte des Universums beschränkt war, sondern eine ewige Vergangenheit hat, wobei jede sich ausdehnende Region das Produkt einer vorhergehenden Region ist. Solche Modelle wurden zwar heiß diskutiert, doch wurde 2003 eine Art Wendepunkt erreicht, als es drei führenden Kosmologen, Arvin Borde, Alan Guth und Alexander Vilenkin gelang, zu beweisen, dass jedes Universum, das sich im Durchschnitt über seine Geschichte hinweg ausgedehnt hat, keine unendliche Vergangenheit haben kann, sondern eine Raum-Zeit-Grenze haben muss. 2012 wies Vilenkin nach, dass Modelle, die diese Bedingung nicht erfüllen, dennoch aus anderen Gründen den Anfang des Universums nicht verhindern können. Vilenkin schlussfolgerte: „Keines dieser Szenarien kann wirklich eine ewige Vergangenheit haben.“[2] „Alle Belege, die wir haben, besagen, dass das Universum einen Anfang hatte.“[3]

Das Borde-Guth-Vilenkin-Theorem beweist, dass die klassische Raumzeit unter einer einzigen sehr allgemeinen Bedingung nicht in die ewige Vergangenheit ausgedehnt werden kann, sondern zu einer bestimmten Zeit in der Vergangenheit eine Grenze erreichen muss. Nun war da entweder etwas auf der anderen Seite der Grenze oder nicht. Wenn nicht, dann ist diese Grenze einfach der Anfang des Universums. Wenn etwas auf der anderen Seite war, dann eine Quantenregion, die von der noch zu erforschenden Theorie der Quantengravitation beschrieben wird. In diesem Fall, sagt Vilenkin, wird das der Anfang des Universums sein. Das Universum begann so oder so zu existieren.

Vilenkin nennt die Implikationen hiervon geradeheraus:

Manche aktuellen kosmologischen Spekulationen beruhen auf Versuchen, Modelle zu entwerfen, die auf möglichen Ausnahmen der Borde-Guth-Vilenkin-Bedingung basieren, nach der das Universum im Durchschnitt in einem Zustand kosmischer Ausdehnung gewesen ist. In seinem Artikel führt Jim die folgenden Möglichkeiten an:

Zur ersten gehört eine unendliche Kontraktion vor der Singularität, gefolgt von unserer aktuellen Ausdehnung. Der zweite Fall postuliert einen instabilen Anfangszustand, gefolgt von einer inflationären Expansion. Im dritten Fall stellt man sich eine Kontraktion vor, gefolgt von einer mit „dunkler“ Energie betriebenen Super-Ausdehnung, wobei das Universum in ein Multiversum auseinanderbricht. Der vierte Fall postuliert zwei spiegelbildliche, inflationäre Expansionen, wo die Zeitpfeile von der kosmologischen Singularität wegzeigen. Jim zeigt auf, dass diese hoch spekulativen Modelle alle entweder der auf Messbarkeit basierenden Kosmologie widersprechen, oder am Ende doch genau den Anfang implizieren, den sie vermeiden wollten.

Die andere Alternative zu den Hawking-Penrose-Theoremen, der man energisch nachgeht, sind die Quantengravitationsmodelle. Jim führt folgende Modelle an:

Die erste Modellklasse postuliert einen ewiges Vakuum, in dem unser Universum per Quantenfluktuation entsteht. Man hat herausgefunden, dass diese Modelle den Anfang des Vakuums selbst nicht vermeiden konnten und somit den absoluten Anfang der Raumzeit implizierten. Diese Modelle haben die 1980er Jahre nicht überlebt.

Die zweite Klasse, die string-theoretischen Modelle, sind momentan der letzte Schrei. Sie beruhen auf einer Alternative zum Standardmodell der Teilchenphysik, die die Bausteine der Materie nicht als punktartige Teilchen auffasst, sondern als eindimensionale Energie-Strings. Jim spricht drei Arten von string-kosmologischen Modellen an:

Die erste dieser String-Kosmologien, die ekpyrotisch-zyklischen Modelle, ist vom Borde-Guth-Vilenkin-Theorem abhängig und beinhaltet somit auch einen Anfang des Universums. Die zweite Gruppe, die Vor-Urknall-Modelle, können nicht in die unendliche Vergangenheit ausgedehnt werden, wenn sie für realistische Beschreibungen des Universums gehalten werden sollen. Zur dritten Gruppe, der String-Landschaft-Modelle, gehören die beliebten Multiversums-Szenarien. Sie sind auch vom Borde-Guth-Vilenkin-Theorem abhängig und implizieren somit einen Anfang des Universums. String-kosmologische Modelle schaffen es also nicht, die Prognose des Standardmodells zu vermeiden, nach der das Universum zu existieren begonnen hat.

Die dritte Klasse der Quantengravitationsmodelle, also die Klasse der Schleifenquantengravitationsmodelle, enthält Versionen eines zyklischen Universums, das sich ausdehnt und zusammenzieht. Diese Modelle erfordern keine ewige Vergangenheit, und der Versuch, sie zur ewigen Vergangenheit auszudehnen, ist schwer zu vereinen mit dem zweiten Satz der Thermodynamik und scheint durch die Ansammlung dunkler Energie ausgeschlossen zu sein, die schon bald das Zyklusverhalten beenden würde.

Schließlich noch die semi-klassischen Quantengravitationsmodelle, zu denen das bekannte Hartle-Hawking-Modell und Vilenkins eigene Theorie gehört:

Zu diesen Modellen gehört ein absoluter Anfang des Universums, auch wenn das Universum nicht an einem singulären Punkt entstanden ist. Quantengravitationsmodelle vermeiden somit den Anfang des Universums genauso wenig wie die vermeintlichen Modelle der ewigen Inflationen.

Als Fazit erkennen Sie hieraus sicherlich, wie irreführend die Aussagen der Physiker Ihnen gegenüber waren. Die Prognose des Standardmodells, dass das Universum zu existieren begann, bleibt heute so sicher wie sonst auch immer – ja, im Lichte des Borde-Guth-Vilenkin-Theorems und den wiederholten und oft einfallsreichen Versuchen, es zu wiederlegen, eigentlich noch sicherer. Wer glaubt, dass das Universum zu existieren begann, befindet sich fest und bequem im Mainstream der Naturwissenschaft.

(Übers.: J. Booker)

Link to the original article in English: /contemporary-cosmology-and-the-beginning-of-the-universe

Anmerkungen

[1] Der Artikel ist mittlerweile erschienen: Craig, William Lane und James D. Sinclair: The Kalam Cosmological Argument, in: Craig, William Lane und J.P. Moreland: The Blackwell Companion to Natural Theology. Oxford 2009: Blackwell Publishing, S. 101-201. (Anm. d. Übers.)

[2] Audrey Mithani und Alexander Vilenkin, “Did the universe have a beginning?” arXiv:1204.4658v1 [hep-th] 20.04.2012, S. 1; vgl. S. 5. Hier ein Video, in dem Vilenkin schlussfolgert: „Es gibt derzeit keine Modelle, die ein befriedigendes Modell für ein Universum ohne einen Anfang bieten.“ https://www.youtube.com/watch?v=NXCQelhKJ7A

[3] A. Vilenkin, zitiert in „Why physicists can't avoid a creation event“, von Lisa Grossman, New Scientist (11.01.2012).