Was hat Quanten-Schwerkraft mit der Entstehung unseres Universums zu tun?
Einsteins Relativitätstheorie prägt unser Verständnis davon, wie Schwerkraft den Raum und damit das Universum formt. Wir wissen: Je massereicher und dichter ein Objekt ist, desto größer ist seine Anziehungskraft. Diese Gravitation sorgt z.B. dafür, dass wir nicht von der Erde wegschweben und um die Sonne kreisen. Wie eine Kugel, die ein gespanntes Tuch krümmt, krümmen schwere Körper wie Sterne und Planeten den Raum.
Doch die Erkenntnisse der Quantenmechanik erschüttern dieses Bild. Denn bei der Beobachtung winziger Teilchen auf Quantenebene zeigt sich: Die Gesetze der Gravitation verlieren hier ihre Bedeutung.
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Chaos statt Gesetze
Statt einem gekrümmten Tuch gibt es dort eine Wolke, in der Teilchen scheinbar chaotisch auftauchen. Wenden wir Einsteins Theorie darauf an, um die Anziehungskraft der Teilchen zu messen, erhalten wir den Wert "unendlich". Damit lässt sich keine gültige Aussage treffen: Es herrscht buchstäblich unberechenbares Chaos.
Ein schweres Objekt wie die Erde krümmt laut Einstein den Raum durch ihre Schwerkraft
© NASA
Urknall vereint Quanten- und Gravitationstheorien
Seit Jahren versuchen Forscher weltweit, die beiden Theorien miteinander zu verknüpfen. Bisher ist das nicht gelungen. Solange es um große Objekte wie Sterne und Planeten geht, ist das nicht weiter tragisch, denn sie lassen sich mit Einsteins-Theorie beschreiben. Doch der Urknall verlangt, dass die Gesetze der Gravitation und Quantenmechanik zusammenarbeiten.
Die Theorie besagt, dass das Universum aus einem Punkt extremer Energie entstand und sich explosionsartig ausdehnte. Laut Einstein wäre die Energiedichte hier so hoch gewesen, dass der Raum sich so stark krümmt, dass er in sich zusammenbricht. In etwa so wie bei einer Sternenexplosion, die zu einem Schwarzen Loch wird.
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Das ist aber nicht passiert. Unser Universum hat sich aufgebläht und geformt, wie wir es heute kennen. Bisher wurde vermutet, ein noch unbekanntes Teilchen könnte für die "Inflation", also das Ausdehnen des Universums, verantwortlich sein.
Gravitation hoch 2
Die neuen Berechnungen der Forscher zeigen aber: Es braucht gar kein "mysteriöses" Teilchen. Stattdessen könnte die "Quadratische Gravitation" das Verhalten erklären. Vereinfacht gesagt: Bei einer extrem hohen Energie wie der des Urknalls reicht die normale Krümmung, mit der Einstein rechnete, nicht mehr aus. Man muss mit der nächsthöheren Einheit rechnen. Daher nimmt man sie zum Quadrat. Dadurch stabilisiert sich der Wert für die Anziehungskraft, anstatt ins Unendliche zu gehen.
Nach dieser Formel kehrt sich das Prinzip um: Statt wie ein Schwarzes Loch zu einem hochenergetischen, extrem dichten Punkt zusammenzufallen, dehnt sich der Raum explosionsartig aus. Grund dafür ist der hohe Druck, der an diesem Punkt herrscht.
Wenn dieser zu groß wird, wie es beim Urknall der Fall war, zieht sich nicht mehr alles nach innen, sondern es entsteht ein Gegendruck. Der wird so groß, dass es keine andere Möglichkeit gibt als die Ausdehnung, um Stabilität herzustellen. Das würde erklären, wie sich das Universum nach dem Urknall ganz natürlich geformt hat. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht.