Donnerstag, 12. Dezember 2013

Kein Urknall notwendig: Wiener Physiker präsentieren einfaches "Rezept für ein Universum"

Raum und Zeit erhitzen und umrühren und schon hat man - laut Wiener Physikern - im Handumdrehen ein Universum ohne Urknall (Illu.). | Copyright: tuwien.ac.at

Wien (Österreich) - Ein expandierendes Universum kann auf erstaunlich einfache Weise entstehen, sagt zumindest eine Gruppe internationaler Physiker und präsentieren ein entsprechend simples Rezept für ein Universum, für dessen Existenz es zudem gar keinen Urknall braucht: "Raum und Zeit erhitzen und ein bisschen rühren."

Derzeit besucht der indische Physiker Arjun Bagchi die TU Wien und hat kürzlich ein Lise-Meitner Fellowship vom FWF erhalten, um in Zusammenarbeit mit Daniel Grumiller die neuen holographischen Zusammenhänge in flachen Raumzeiten zu erforschen. Ihr Ergebnis haben die Forscher gemeinsam mit Kollegen aus aus Harvard, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Edinburgh aktuell im Fachjournal "Physical Review Letters" (DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.181301) veröffentlicht.


Wenn man Suppe erhitzt, beginnt sie zu kochen. Ähnliches verhalte es sich mit Raum und Zeit, erläutern die Physiker. "Erhitzt man diese Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen - ganz ohne Urknall." Genau diesen Phasenübergang zwischen einem langweiligen leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte das Forschungsteam nun erstmals berechnen.


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Dahinter liegt ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie: Während wir Phasenübergänge im Alltag nur von Stoffen kennen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln, können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Stephen Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Damals berechneten sie, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden könne.


Ob sich aber bei einem ähnlichen Prozess aber auch ein ganzes Universum erzeugen - sozusagen also zusammenkochen - lässt, das sich zudem wie das von uns beobachtbare Universum kontinuierlich ausdehnt - dieser Frage sind die Forscher auf den Grund gegangen. Das Ergebnis: "Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird. (...) Die leere Raum-Zeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein“, erklärt Daniel Grumiller. Allerdings müsse dieses Universum während dieses Vorgangs rotieren. Allerdings könne diese Rotation beliebig gering sein.


Während bei den derzeitigen Berechnungen vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt wurden, spreche aber nichts dagegen, dass es in drei Raumdimensionen nicht genauso ist, so die Wissenschaftler.


Trotz dieser erstaunlichen Erkenntnis glauben aber selbst die Wiener Forscher nicht, dass unser eigenes, erleb- und beobachtbares Universum auf diese Art und Weise entstanden ist, und sehen darum ihr Phasenübergangs-Modell auch nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie: "In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum - das zweifeln wir nicht an. Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann“, sagt Grumiller.


Die Theorie stehe hingegen in der logische Fortsetzung der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, einer 1997 aufgestellten Vermutung, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien - zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben müssten. In bestimmten Grenzfällen, so sagt die AdS-CFT-Korrespondenz, lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt. "Das klingt zunächst ähnlich merkwürdig, als würde man das Herunterfallen eines Steins studieren, indem man die Temperatur heißer Atome in einem Gas berechnet. Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden in Verbindung gebracht - aber es funktioniert", erläutern die Wissenschaftler in der Pressemitteilung der ZU Wien.


"Die Quantenfeldtheorie kommt dabei immer mit einer Dimension weniger aus als die dazugehörige Gravitationstheorie - das bezeichnet man als 'holographisches Prinzip'. Ähnlich wie ein zweidimensionales Hologramm ein dreidimensionales Objekt darstellen kann, kann eine Quantenfeldtheorie mit zwei Raumdimensionen eine physikalische Situation in drei Raumdimensionen beschreiben."


Die Gravitationstheorien müssen dafür allerdings in einer Raumzeit mit einer exotischen Geometrie definiert werden - in sogenannten "Anti-de-Sitter-Räumen", deren Geometrie von der flachen Geometrie unserer Alltagserfahrung deutlich abweicht. Schon seit langem wurde vermutet, dass es eine ähnliche Version dieses "holographischen Zusammenhangs“ auch für flache Raumzeiten geben könnte, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.


Erstmals gelang es Grumiller und Kollegen dann im vergangenen Jahr ein solches Modell - der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen - zu erstellen. Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: "Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muss."


"Das war zunächst ein Rätsel für uns", erinnert sich Grumiller. "Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich." Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass genau diesen Übergang tatsächlich gibt. "Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen". Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar.


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