Hat es doch keinen Urknall gegeben?

Liebe Steemianer,
für lange Zeit hatte ich die Urknalltheorie als selbstverständlich angesehen, angesichts der weiten Verbreitung bis in die Schulbücher und mangels plausibler anderer Erklärungen für die Rotverschiebung der Galaxien plus Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Doch vielleicht sind wir uns da zu sicher, und nur weil etwas sehr einleuchted ist und von vielen geteilt ist, muss es nicht stimmen.

Die Urknalltheorie

In aller Kürze soll das Universum bisher diese Entwicklungsphasen durchgemacht haben (1):

• Singularität, vor 13,7 oder 13,8 Mrd Jahren: Das ganze Universum ist auf einen Punkt unendlich hoher Dichte konzentriert
• Planck-Ära; bis 10 hoch−43 Sekunden nach dem Urknall; alle vier Kräfte noch vereint, sonst fast nichts bekannt darüber
• Inflationäre Phase auch GUT-Ära; endet nach ca. 10 hoch−30s ; extreme Expansion um einen Faktor von rund 1000
• Quark-Ära; bis 10 hoch−7s; es bilden sich Quarks, Leptonen und Photonen; das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie entsteht in der Baryogenese
• Hadronen-Ära; bis 10 hoch−4 Sekunden; Protonen, Neutronen und deren Antiteilchen entstehen; außerdem Myonen, Elektronen, Positronen, Neutrinos und Photonen
• Lepton-Ära; bis zehn Sekunden; Myonen zerfallen, Elektronen und Positronen annihilieren
• Primordiale Nukleosynthese; bis drei Minuten; Wasserstoff, Helium, Lithium entstehen
• Strahlungs-Ära; bis etwa 300.000 Jahre;
• Materie-Ära: bis heute; Universum wird durchsichtig, Galaxien entstehen (die ersten Sterne rund 400 Mio Jahre nach dem Urknall),
• Geprägt ist das Universum seit Anbeginn von einer Expansion des Raums - die Entdeckung Hubbles, dass sich alle Galaxien voneinander entfernen (der "Doppler-Effekt") wird so interpretiert, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt, wie ein Teig, der auffgeht und die Rosinen sich dabei alle voneinander entfernen

Quelle public domain

Doch lässt die Urknalltheorie einige wichtige Fragen offen, bzw. wirft neue Fragen auf:

Was die Urknalltheorie NICHT erklärt

• Den Urknall selbst, jene magische Singularität, die jenseits der Naturwissenschaft steht, und daher nicht begreifbar ist. Wie kam es zu diesem unnatürlichen hochenergetischen Urzustand? Die Annahme, dass das Universum aus einer Singularität ohne Raum entstand, bringt viel mehr Probleme mit sich, als sie lösen kann und wirkt, nüchtern betrachtet, eher wie ein Schöpfungsmythos in naturwissenschaftlicher Verkleidung als eine wissenschaftliche Hypothese (2).
• Wie kam es zu den kleinen Inhomogenitäten, aus denen letztendlich Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen entstanden sind? CERN-Forscher haben erst kürzlich gezeigt, dass die Entstehung von Teilchen und Antiteilchen nach dem Urknall vollkommen symmetrisch war, sodass sie sich gegenseitig annihilieren hätten sollen und sich eigentlich gar keine Materie hätte bilden können (3).
• Warum beschleunigt sich die Expansion seit ungefähr 4 Mrd Jahren, was nur erklärt werden konnte durch die Zunahme von einer mysteriösen "Dunklen" Energie (4). Die Dunkle Energie soll heute 72% der gesamten Masse und Energie des Universums ausmachen, obwohl ihre Existenz experimentell noch gar nicht nachgewiesen wurde!

Um den Urknall zu erklären (bzw. eher zu umgehen), bemühen sich heute die Physiker, die Quantentheorie mit der Relativitätstheorie zu vereinigen zu einer Theorie der Quantengravitation. Dafür gibt es unterschiedliche Modelle, allen voran die Stringtheorie oder die Schleifen-Quantengravitationn. Allen diesen Theorien gemeinsam ist, dass sie durch Berücksichtigung von Quanteneffekten ausschließen, dass eine Singularität entsteht. Masse und Raumzeit waren auf ein winziges Volumen zusammengedrängt, aber nicht in einem ausdehnungslosen Punkt. Damit ist der Weg frei für die Hypothese, dass es vor unserem Universum bereits etwas gab. Z.B. soll es nach der Schleifen-Quantengravitation vor unserem Universum bereits ein Universum mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften gegeben haben, das sich immer weiter zusammenzog bis zu einer winzig kleinen Ausdehnung. Anschließend expandierte es, nunmehr als unser Universum wieder. Demnach begann unser Universum mit einem Big Bounce – dem Großen Aufprall (analog zu Big Bang, der engl. Bezeichnung für Urknall) (5).
Die Chancen, dass die Weltformel, die alle Theorien vereinigt, demnächst gefunden wird, sind gering. Die Physiker hoffen, u.a. mit Hilfe von Gravitationswellendetektoren messbare Indizien für das eine oder andere Modell zu finden.

Aufgrund der offenen Fragen sind immer wieder andere Modelle der Erklärung für das Universum aufgekommen, konnten sich allerdings bislang nicht durchsetzen. Drei von denen, die noch nicht widerlegt sind (z.B. die Steady State Theorie ist so gut wie widerlegt), möchte ich im Folgenden aufzählen. Am nächsten der Urknalltheorie kommt vermutlich

Das ekpyrotische Universum (6)

Nach diesem Modell entstand unser Kosmos nicht durch den Urknall, sondern bei der Kollision zweier Vorgänger-Welten in einem zehndimensionalen Raum. Das Modell macht letztlich ähnliche Aussagen wie die gängige Inflationstheorie, verwendet dabei aber die Sprache der Stringtheorie und deren Verallgemeinerung auf Brane (im wesentlichen Objekte eine Dimension höher als Strings).

Quelle Creative Commons Lizenz

Wikipedia sagt: "Demnach kollidiert im Entstehungsprozess unser Universum in Form einer dreidimensionalen Brane mit einer Brane aus einem Paralleluniversum innerhalb eines fünfdimensionalen Raumes („bulk“), den sie beranden, wobei in den beiden Branen genügend Energie freigesetzt wird, um die Entstehung von Materie und Strahlung zu erklären (Big Bang)". Das Ekpyrotische Modell entspricht einem zyklischen Universum, das sich immer dann, wenn Branen-Kollisionen stattfinden, ausdehnt, wieder zusammenzieht und nach erneuter Kollision wieder expandiert. Ich gebe zu, ich habe es nicht verstanden.

Das Block-Universum

Das Modell des Block-Universums, auch Eternalismus genannt, geht davon aus, dass die Gesamtheit der Zeit, also Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft, gleichermassen gegeben und real ist. Das heisst, dass Zeit nicht vergeht, ja nicht einmal existiert, so wie wir sie verstehen, sondern alles gleichzeitig existiert und schon da ist, auch die Zukunft. Das Block-Universum ist somit streng deterministisch. Es gibt keinen Unterschied zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. „Das zu erkennen, ist vielleicht die größte intellektuelle Herausforderung, mit der die Menschheit jemals konfrontiert wurde“ , sagt der Philosoph und Physiker Vesselin Petkov von der Concordia University in Montreal (7).

Tatsächlich kann ich mir nichts vorstellen, dass der Alltagserfahrung mehr widerspricht als diese Theorie!
Aber ist diese Idee wirklich seltsamer als anzunehmen, Zeit "verginge"? Warum hat die Zeit überhaupt eine Richtung? Mit welcher Geschwindigkeit soll Zeit vergehen? Eine Sekunde pro Sekunde? Warum leben wir immer im "Jetzt"?

Abgeleitet wird das Block-Universum aus der Einsteinschen Relativitätstheorie, derzufolge es keine universelle Gleichzeitigkeit gibt. Je schneller sich eine Uhr bewegt oder je stärker das Gravitationsfeld ist, in dem sie sich befindet, desto langsamer geht sie. Diese Effekte sind durchaus messbar. Unsere GPS-Navigationssysteme wären schon nach wenigen Minuten unbrauchbar, wenn sie nicht die minimalen, aber vorhandenen Effekte der Relativitätstheorie berücksichtigen würden. Raum und Zeit sind in der Speziellen Relativitätstheorie zu einer untrennbaren Einheit verschweißt: der Raumzeit. Die Zeit ist eine reale vierte Dimension analog zu den drei Raumdimensionen, aber verwoben in diese und nicht getrennt davon. Objekte existieren nicht nur in der Gegenwart, sondern auch in der Vergangenheit und Zukunft, als sogenannte Weltlinie. Wenn die Zeit also gar nicht existiert, sondern bloß eine Illusion ist, dann gibt es in Wirklichkeit gar keinen Ablauf von Ereignissen. Diese objektive Welt geschieht nicht, sondern sie ist! Ein vierdimensionales Kontinuum, aber weder Raum noch Zeit allein. "Nur vor dem Blick des in den Weltlinien der Leiber entlangkriechenden Bewusstseins "lebt ein Ausschnitt dieser Welt auf" und zieht an ihm vorüber als räumliches, in zeitlicher Wandlung begriffenes Bild.“ (Hermann Weyl, 1927).
Das wirft die Frage auf, wie kommt es in einem ewig-statischen Block-Universum zur Zeitempfindung, weshalb erleben wir eine „Gegenwart“ und einen „Zeitfluss“ – und nicht alles auf einmal?
Wenn das Bewusstsein das einzige ist, das Zeit wahrnehmen kann, bedeutet das, dass das Bewusstsein vielleicht überhaupt keine physikalische Wirklichkeit besitzt, oder jenseits dessen agiert? Kann das Bewusstsein, möglicherweise durch quantenphysikalische oder höherdimensionale Effekte (oder durch die Vermutung, dass es ein anderer Aggregatzustand der Materie ist, s.u.), quasi von aussen, den Zeitfluss wahnehmen, so wie wir in der Grafik oben die Weltlinie als ganzes überblicken können? Oder umgekehrt, können wir nur jeweils das "Jetzt" als "Jetzt" wahrnehmen, weil wir gefangen in der Raumzeit sind und nicht von aussen auf diese blicken können?
Auch in der Quantenkosmologie taucht in den Hauptgleichungen die Zeit – im Gegensatz zum Raum – nicht auf (8).

Zeit ist überhaupt für mich eines der spannendsten Dinge, einen eigenen Post wert.

Das Universum ist nur eine Computersimulation

Wäre es möglich, dass wir nur eine Simulation von höherentwickelten Wesen (oder gar unseren Nachkommen) zu deren Belustigung oder aus sonst einem Grund sind, oder einfach ein Traum, den ein höheres Wesen träumt, so wie unsere Träume oft sehr real wirken? Manche meinen, "Ja!". Siehe dazu dieses anschauliche Video (ca. 9min), das versucht zu ermitteln, wie groß die Rechenleistung sein müsste, um unserer Universum zu simulieren und die Hypothese aufstellt, dass - wenn es solche fortgeschrittene Simulationen gibt - wir uns vermutlich in einer solchen befinden:

Es muss jedenfalls nur soviel an Universum simuliert werden, wie notwendig ist, seine Einwohner glauben zu machen, sie wären real. Körper würden hohl sein, bis man sie anschneidet, man braucht keine Mrd. an Sternen zu simulieren, sondern nur so viele, wie die simulierten Einwohner beobachten können, etc. Das Universum könnte zu expandieren scheinen, weil es vielleicht noch nicht vollständig geladen ist.
Einzig das Bewusstsein zu simulieren, stellt die eigentliche Herausforderung dar, zumindest aus unserer Sicht. Aber ist nicht genau die Tatsache, dass sich unser Bewusstsein so vehement gegen eine rationale Entschlüsselung sperrt (wir wissen immer noch nicht, was Bewusstsein ist), ein mögliches Indiz, dass es simuliert ist?

Das Beunruhigende daran: Es gibt keine Möglichkeit zu beweisen, dass die Simulationstheorie falsch ist!

Ganz im Gegenteil: Da kein System 100%ig perfekt ist, wird angenommen, dass die Simulation des Universums Schwachstellen bzw. kleine Störungen enthalten muss. Daher suchte man nach solchen Anomalien - und fand auch welche! Man fand eine Anisotropie in der Verteilung ultra-hoher energiereicher kosmischer Strahlung. Diese und andere Indizien reichen aber derzeit nicht aus, um die Simulationshypothese zu bestätigen oder abzulehnen. Es werden mehr Daten benötigt (9).
Übrigens, auch Philip.K.Dick und Elon Musk waren bzw. sind Vertreter der Simulationstheorie.

Immerhin, selbst wenn wir simuliert sind, ändert sich de facto nichts an unserer Existenz. Es würde nur meiner Meinung nach eine Singularität plausibler machen, denn irgendwann muss ja die Simulation begonnen haben, oder nicht? Bleibt nur die Frage, wie das wirkliche Universum aussieht, in dem die Simulation aufgesetzt wurde. Hat es ähnliche Naturgesetze oder völlig andere? In dem empfehlenswerten Roman "Permutation City" von Greg Egan setzen die Protagonisten ebenfalls eine simulierte Welt auf (mit dem Zweck, ihre eigenen Bewusstseine dorthin hochzuladen, um zwar virtuell, aber ewig weiterzuleben). Sie entwerfen auch einen simulierten Planeten mit simulierten Lebewesen. Im Roman entwickeln sich diese rasant, und wollen schliesslich ihre Naturgesetze verstehen, finden dabei allerdings Widersprüche. Geht es uns derzeit so ähnlich?

Wenn wir schon bei verrückten Konzepten sind, dann sei noch ein kleiner Ausflug zum Bewusstsein erlaubt:
Sowohl das Block-Universum als auch die Simulationshypothese führen unvermeidlich zu einer Beschäftigung mit dem Phänomen Bewusstsein. Manche Wissenschaftler glauben, dass Bewusstsein ein neuer Aggregatzustand der Materie sei (neben fest, flüssig, gasförmig, Plasma,...). Der theoretische Physiker und Kosmologe Max Tegmark vom MIT hat das 2014 als Erster vorgeschlagen und diesen Materiezustand "perceptronium" genannt (10). Bewusstsein ist, "wie Information sich anfühlt", wenn sie prozessiert wird auf sehr komplexe Weise. Genauso wie der Unterschied zw. belebt und unbelebt nicht die Hinzufügung eines unbekannten spirituellen Elements benötigt, sondern auf die Anordnung der Atome zurückzuführen ist, ist es für ihn das Muster oder der Aggregatzustand der Atome, der den Unterschied zwischen unbewusst und bewusst ausmachen soll. Er erklärt das in diesem TED-Talk:

https://www.youtube.com/watch?time_continue=658&v=GzCvlFRISIM

Quellen:
(1) https://de.wikipedia.org/wiki/Kosmologie#Expansion_des_Universums
(2) https://www.raum-und-zeit.com/naturwissenschaft/urknalltheorie/
(3) https://www.msn.com/de-de/nachrichten/wissenundtechnik/cern-forscher-entdecken-dass-das-universum-gar-nicht-existieren-d%C3%BCrfte/ar-BBPEjUH
(4) https://de.wikipedia.org/wiki/Dunkle_Energie
(5) https://www.wissenschaft-im-dialog.de/projekte/wieso/artikel/beitrag/was-war-vor-dem-urknall/
(6) https://www.spektrum.de/magazin/all-ohne-urknall-das-ekpyrotische-universum/827822
(7) https://www.wissenschaft.de/umwelt-natur/gestern-und-morgen-sind-eins/
(8) https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/wheeler-dewitt-gleichung/529
(9) https://de.wikipedia.org/wiki/Simulationshypothese
(10) https://arxiv.org/abs/1401.1219