Am Anfang war ein unendlich dichter, winziger Ball aus Materie. Dann ging alles in die Luft und es entstanden die Atome, Moleküle, Sterne und Galaxien, die wir heute sehen.

Zumindest haben uns das die Physiker in den letzten Jahrzehnten erzählt.

Aber neue Forschungsergebnisse der theoretischen Physik haben kürzlich ein mögliches Fenster in das sehr frühe Universum geöffnet und gezeigt, dass es vielleicht doch nicht „sehr früh“ ist. Stattdessen handelt es sich vielleicht nur um die letzte Iteration eines Zyklus von Knall und Stoß, der schon seit … nun ja, mindestens einmal und möglicherweise für immer andauert.

Natürlich müssen diese theoretischen Vorhersagen einen Ansturm von Beobachtungstests überstehen, bevor Physiker beschließen, den Urknall zugunsten eines Knall-Sprung-Zyklus zu verwerfen.

Kosmologien im Wandel

Wissenschaftler haben ein wirklich gutes Bild des sehr frühen Universums, das wir als die Urknalltheorie kennen und lieben. In diesem Modell war das Universum vor langer Zeit viel kleiner, viel heißer und viel dichter als heute. In diesem frühen Inferno vor 13,8 Milliarden Jahren wurden alle Elemente, die uns zu dem machen, was wir sind, innerhalb von etwa einem Dutzend Minuten gebildet.

Noch früher, so die Vorstellung, war unser gesamtes Universum – alle Sterne, alle Galaxien, alles – so groß wie ein Pfirsich und hatte eine Temperatur von über einer Billiarde Grad.

Erstaunlicherweise hält diese fantastische Geschichte allen aktuellen Beobachtungen stand. Astronomen haben alles getan, von der Beobachtung der übrig gebliebenen elektromagnetischen Strahlung des jungen Universums bis zur Messung der Häufigkeit der leichtesten Elemente, und sie haben festgestellt, dass sie alle mit den Vorhersagen des Urknalls übereinstimmen. Soweit wir das beurteilen können, ist dies ein genaues Bild unseres frühen Universums.

Aber so gut es auch ist, wir wissen, dass das Bild des Urknalls nicht vollständig ist – es fehlt ein Puzzleteil, und dieses Teil sind die frühesten Momente des Universums selbst.

Das ist ein ziemlich großes Teil.

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Die Feuersbrunst

Das Problem ist, dass die Physik, die wir verwenden, um das frühe Universum zu verstehen (ein wunderbar komplizierter Mischmasch aus allgemeiner Relativitätstheorie und Hochenergie-Teilchenphysik), uns nur so weit bringen kann, bevor sie zusammenbricht. Während wir versuchen, immer tiefer in die ersten Momente unseres Kosmos vorzudringen, wird die Mathematik immer schwieriger zu lösen, bis zu dem Punkt, an dem sie einfach … aufhört.

Das wichtigste Anzeichen dafür, dass wir ein Terrain haben, das noch erforscht werden muss, ist das Vorhandensein einer „Singularität“ oder eines Punktes unendlicher Dichte am Anfang des Urknalls. Für bare Münze genommen, bedeutet dies, dass das Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt in einen unendlich kleinen, unendlich dichten Punkt gezwängt wurde. Das ist natürlich absurd und sagt uns, dass wir eine neue Physik brauchen, um dieses Problem zu lösen – unser derzeitiges Instrumentarium ist einfach nicht gut genug.

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Um den Tag zu retten, brauchen wir eine neue Physik, die in der Lage ist, die Schwerkraft und die anderen Kräfte zusammen bei ultrahohen Energien zu bewältigen. Und genau das behauptet die Stringtheorie zu sein: ein physikalisches Modell, das in der Lage ist, mit der Schwerkraft und den anderen Kräften zusammen bei ultrahohen Energien umzugehen. Das bedeutet, dass die Stringtheorie behauptet, sie könne die frühesten Momente des Universums erklären.

Eine der frühesten Vorstellungen der Stringtheorie ist das „ekpyrotische“ Universum, was vom griechischen Wort für „Feuersbrunst“ oder Feuer kommt. In diesem Szenario wurde das, was wir als Urknall kennen, durch etwas anderes ausgelöst, das ihm vorausging – der Urknall war kein Anfang, sondern ein Teil eines größeren Prozesses.

Die Erweiterung des ekpyrotischen Konzepts hat zu einer Theorie geführt, die wiederum durch die Stringtheorie motiviert ist und zyklische Kosmologie genannt wird. Ich nehme an, dass die Idee, dass sich das Universum ständig wiederholt, technisch gesehen Tausende von Jahren alt ist und der Physik vorausgeht, aber die Stringtheorie gab der Idee eine feste mathematische Grundlage. Das zyklische Universum läuft genau so ab, wie man es sich vorstellt: Es springt ständig zwischen Urknall und Urknirschen hin und her, möglicherweise für eine Ewigkeit in der Vergangenheit und für eine Ewigkeit in der Zukunft.

Vor den Anfängen

So cool das auch klingt, die frühen Versionen des zyklischen Modells hatten Schwierigkeiten, mit den Beobachtungen übereinzustimmen – und das ist ein großes Problem, wenn man versucht, Wissenschaft zu betreiben und nicht nur Geschichten am Lagerfeuer zu erzählen.

Die größte Hürde war die Übereinstimmung mit unseren Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, dem fossilen Licht, das übrig geblieben ist, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war. Wir können zwar nicht direkt hinter diese Lichtwand sehen, aber wenn man anfängt, theoretisch an der Physik des jungen Kosmos herumzubasteln, beeinflusst man dieses nachleuchtende Lichtmuster.

Und so schien es, dass ein zyklisches Universum eine nette, aber falsche Idee war.

Aber die ekpyrotische Fackel wurde im Laufe der Jahre immer wieder angezündet, und eine im Januar in der arXiv-Datenbank veröffentlichte Arbeit hat die Falten in der Mathematik erforscht und einige zuvor übersehene Möglichkeiten aufgedeckt. Die Physiker Robert Brandenberger und Ziwei Wang von der McGill University in Kanada fanden heraus, dass es im Moment des „Abprallens“, wenn unser Universum auf einen unglaublich kleinen Punkt schrumpft und in den Zustand des Urknalls zurückkehrt, möglich ist, alles in eine Reihe zu stellen, um das richtige, durch Beobachtungen geprüfte Ergebnis zu erhalten.

Mit anderen Worten, die komplizierte (und zugegebenermaßen schlecht verstandene) Physik dieser kritischen Epoche könnte in der Tat eine radikal überarbeitete Sichtweise unserer Zeit und unseres Platzes im Kosmos ermöglichen.

Aber um dieses Modell vollständig zu testen, müssen wir auf eine neue Generation von kosmologischen Experimenten warten, also warten wir mit dem ekpyrotischen Champagner.

Paul M. Sutter ist Astrophysiker an der SUNY Stony Brook und dem Flatiron Institute, Moderator von Ask a Spaceman und Space Radio und Autor von Your Place in the Universe.

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Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.