Quantenkosmologie

Grundidee und Bedeutung

Quantenkosmologie ist ein theoretischer Ansatz der Physik, der eine Quantentheorie des Universums entwickeln soll. Sie soll besonders offene Fragen über die frühesten Phasen des Universums klären.

Die klassische Kosmologie stützt sich auf Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Diese beschreibt die Entwicklung des Universums sehr gut, solange man zeitlich nicht zu nahe an seinen Anfangszustand, die Planck-Zeit, gelangt. Für diese extreme Frühphase wird eine Theorie benötigt, die Relativitätstheorie und Quantentheorie zusammenführt. Wichtige Ansätze dafür sind Schleifenquantengravitation und Stringtheorie.

Offene Fragen am Anfang des Universums

Nach dem Urknallmodell wird das Universum beim Zurückverfolgen zum Urknall immer dichter. Schließlich ergäben sich unendlich große Dichte und Gravitation: eine Singularität. Mit einer solchen Singularität lässt sich mathematisch nicht rechnen; sie markiert die Grenze der Wirksamkeit der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese kann den Urknall daher nicht vollständig beschreiben.

Quantenkosmologie soll unter anderem die Anfangssingularität, die Anfangsbedingungen nach dem Urknall und die Grundzustandsenergie des Universums nach der Planck-Zeit bestimmen. Außerdem soll sie helfen, die Ursache der Zeitrichtung, die Entstehung großräumiger Strukturen aus Quantenfluktuationen sowie Dunkle Materie und Dunkle Energie besser zu verstehen.

Singularität und Rückprall

Die Quantenkosmologie versucht, mithilfe der Quantentheorie eine Singularität in der Beschreibung der Frühzeit des Universums zu vermeiden. Danach muss der Urknall nicht aus einer Singularität entstehen, sondern kann sich aus einer Quantenfluktuation entwickeln.

Die Schleifenquantenkosmologie nimmt an, dass unser Universum (Y) durch einen Rückprall nach dem Zusammenfallen eines anderen Universums (X) entstanden sein könnte. Nach Bojowalds Auffassung kann das Universum nur diskrete Größen annehmen. Da es keinen Wert null geben könne, müsse es auch etwas vor dem Urknall gegeben haben.

Schleifenquantenkosmologie

In der Schleifenquantenkosmologie wird die Singularität gewissermaßen übersprungen. Möglich wäre ein Rückprall, der Big Bounce, nach dem Zusammenfallen eines anderen Universums. Dieses andere Universum steht dabei in keiner kausalen Beziehung zu unserem Universum.

Die klassische Evolution wird durch eine Wellenfunktion ersetzt. Dadurch soll die Quanten-Raumzeit auf klassische Singularitäten ausgeweitet und die Geometrie um sie herum verstanden werden können. Die daraus entstehende neue Struktur der Raumzeit soll auch Erkenntnisse über die Natur der Zeit ermöglichen.

Stringtheorie und Raumzeit

Die Stringtheorie verbindet allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik durch die räumliche Ausdehnung von Strings. Anders als in der allgemeinen Relativitätstheorie, die Raumzeit als glatt und kontinuierlich annimmt und daher keine Risse oder Löcher zulässt, sind solche Strukturen in der Stringtheorie denkbar. Sie würden von Strings umschlossen.

Wurmlöcher und Zeitreisen können innerhalb der Stringtheorie zumindest nicht ausgeschlossen werden.

Multiversum

Eine quantentheoretische Betrachtung ermöglicht die Annahme, dass unser Universum nicht isoliert ist, sondern zu einem Multiversum gehört. In diesem Bild entstehen und vergehen viele Universen ständig und können sich völlig anders als unser Universum entwickeln. Analog zu virtuellen Teilchen sind sogar virtuelle Universen denkbar.

Hugh Everett versuchte bereits 1957, Paradoxien der quantentheoretischen Betrachtung des Universums mit der Viele-Welten-Interpretation zu erklären. Auch die Stringtheorie erlaubt die Annahme unzähliger anderer Universen: Einige könnten unserem ähnlich sein, die meisten aber sehr verschieden. Nach der Stringtheorie sind Universen über verschiedene Parameter ständig miteinander verbunden; dies wird landscape, kosmologische Landschaft, genannt.