Kein Big Bang: Die Quantengleichung besagt, dass das Universum keinen Anfang hat

Kein Big Bang: Die Quantengleichung besagt, dass das Universum keinen Anfang hat

Die Big Bang-Singularität

Das weithin akzeptierte Alter des Universums, wie es von der Allgemeinen Relativitätstheorie geschätzt wird, beträgt 13,8 Milliarden Jahre.

Es wird angenommen, dass am Anfang alles Existierende einen einzigen unendlich dichten Punkt oder eine Singularität besaß.

Erst nachdem dieser Punkt in einem „Big Bang“ zu expandieren begann, begann das Universum offiziell.

Obwohl sich die Big Bang-Singularität direkt und unvermeidlich aus der allgemeinen Relativitätsrechnung ergibt, sehen einige Wissenschaftler sie als problematisch an, weil die Mathematik nur das erklären kann, was unmittelbar danach geschah – nicht bei oder vor der Singularität.

„Die Big Bang-Singularität ist das gravierendste Problem der Allgemeinen Relativitätstheorie, weil die physikalischen Gesetze dort zusammenzubrechen scheinen“, sagte Ahmed Farag Ali von der Benha-Universität und der Zewail City of Science and Technology, beide in Ägypten, gegenüber Phys.org. (1)

Ali und der Co-Autor Saurya Das von der Universität Lethbridge in Alberta, Kanada, haben in einem Artikel, der in Physics Letters B veröffentlicht wurde, gezeigt, dass die Big Bang-Singularität durch ihr neues Modell, in dem das Universum keinen Anfang und kein Ende hat, gelöst werden kann.

Alte Ideen wieder aufgegriffen

Die Physiker betonen, dass ihre Quantenkorrektur nicht ad hoc angewendet wird, um die Big Bang-Singularität gezielt zu eliminieren.

Ihre Arbeit basiert auf den Ideen des theoretischen Physikers David Bohm, der auch für seine Beiträge zur Philosophie der Physik bekannt ist.

Ab den 1950er Jahren erforschte Bohm, die klassische Geodäsie (den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten auf einer gekrümmten Oberfläche) durch Quantenbahnen.

In ihrer Arbeit wandten Ali und Das diese bohmischen Bahnen auf eine Gleichung an, die in den 1950er Jahren von dem Physiker Amal Kumar Raychaudhuri an der Presidency University in Kalkutta, Indien, entwickelt wurde.

Raychaudhuri war auch Das Lehrer, als er in den 90er Jahren ein Student dieser Institution war. (2)

Mit Hilfe der quanten-korrigierten Raychaudhuri Gleichung leiteten Ali und Das quanten-korrigierte Friedmann Gleichungen ab, die die Ausdehnung und Entwicklung des Universums (einschließlich des Urknalls) im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben.

Obwohl es sich nicht um eine echte Theorie der Quantengravitation handelt, enthält das Modell Elemente sowohl aus der Quantentheorie als auch aus der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Ali und Das erwarten, dass ihre Ergebnisse auch dann Bestand haben werden, wenn eine vollständige Theorie der Quantengravitation formuliert wird.

Keine Singularitäten und kein dunkler Stoff

Das neue Modell sagt nicht nur keine Big Bang-Singularität voraus, sondern auch keine „Big-Crunch“-Singularität.

Ein mögliches Schicksal des Universums in der Allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass es anfängt zu schrumpfen, bis es in einem Big Crunch in sich zusammenfällt und wieder zu einem unendlich dichten Punkt wird.

Ali und Das erklären in ihrer Arbeit, dass ihr Modell Singularitäten aufgrund eines wesentlichen Unterschieds zwischen der klassischen Geodäsie und den Bohmischen Bahnen vermeidet.

Die klassische Geodäsie kreuzt sich schließlich gegenseitig, und die Punkte, an denen sie zusammenlaufen, sind Singularitäten.

Im Gegensatz dazu kreuzen sich bohmianische Bahnen nie, so dass Singularitäten nicht in den Gleichungen erscheinen.

In kosmologischer Hinsicht erklären die Wissenschaftler, dass die Quantenkorrekturen als kosmologische Konstante (ohne die Notwendigkeit von dunkler Energie) und als Strahlungsterm gedacht werden können.

Diese Begriffe halten das Universum auf einer endlichen Größe und geben ihm daher ein unendliches Alter.

Die Begriffe machen auch Vorhersagen, die eng mit aktuellen Beobachtungen der kosmologischen Konstante und Dichte des Universums übereinstimmen.

Neues Schwerkraftpartikel

Physikalisch gesehen beschreibt das Modell das Universum als mit einer Quantenflüssigkeit gefüllt.

Die Wissenschaftler schlagen vor, dass diese Flüssigkeit aus Gravitonen bestehen könnte – hypothetische massenlose Teilchen, die die Schwerkraft vermitteln.

Falls sie existieren, wird den Gravitonen eine Schlüsselrolle in der Theorie der Quantengravitation zugeschrieben.

In einer verwandten Arbeit haben Das und ein weiterer Mitarbeiter, Rajat Bhaduri von der McMaster University, Kanada, diesem Modell weitere Glaubwürdigkeit verliehen.

Sie zeigen, dass Gravitonen ein Bose-Einstein-Kondensat (benannt nach Einstein und einem anderen indischen Physiker, Satyendranath Bose) bei Temperaturen bilden können, die im Universum in allen Epochen vorhanden waren. (3)

Motiviert durch das Potenzial des Modells, die Big Bang-Singularität aufzulösen und die dunkle Materie und dunkle Energie zu erklären, wollen die Physiker ihr Modell in Zukunft noch genauer analysieren.

Ihre zukünftige Arbeit beinhaltet eine Überarbeitung ihrer Studie unter Berücksichtigung kleiner inhomogener und anisotroper Störungen, aber sie erwarten nicht, dass kleine Störungen die Ergebnisse signifikant beeinflussen.

„Es ist befriedigend festzustellen, dass solche einfachen Korrekturen potenziell so viele Probleme auf einmal lösen können“, sagte Das.


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