Unsere Welt zu verstehen:  Universum Quantenfluktuation

 

 
Ist unser Universum eine Quantenfluktuation?

— hmsgnr090z

 
 
Man hält es heute nicht mehr für so ganz abwegig, dass unsere Universum eine jener Vakuumfluktuationen sein könnte, die es zulassen, dass Anhäufungen von Teilchen aus dem Nichts hervorbrechen, eine Weile existieren und sich dann wieder — wie der verglühende Funke eines Feuerwerks — in Nichts auflösen.
 
Diese Idee geht zurück bis auf Ludwig Boltzmann, den Begründer der modernen Thermodynamik. Sein Argument:
 
Das das Universum sich im thermodynamischen Gleichgewicht befinden müsste, es aber offensichtlich nicht ist, könnte sein gegenwärtiger Zustand das Ergebnis einer zeitweiligen Abweichung vom Gleichgewicht sein. Nach den Gesetzen der Statistik wäre sie zulässig, vorausgesetzt das Gleichgweicht ist im Mittel langfristig erhalten.
 
Natürlich ist die Wahrscheinlichkeit, dass es in der Größenordnung des Universums zu einer solchen Fluktuation kommt, extrem gering, aber falls der Kosmos seit unendlicher Zeit existierte, wäre es praktisch sicher, dass es schließlich auch zu so einem Ereignis kommt, und da nur eine derart extreme Abweichung vom Gleichgewicht Leben zulässt, wäre ist nicht erstaunlich, dass gerade wir uns darin vorfinden (in anderen Zuständen könnte es uns so einfach gar nicht geben (anthropischen Prinzip)).
 
 
Boltzmann fand mit diesen seinen Vorstellungen keinen Anklang (ja damals nicht mal mit denen zur Thermodynamik allgemein).
 
1971 aber kam JohnGribbin (in Nature, Bd. 232, S. 440) auf diese Idee zurück, indem er sich ausmalte, wie das Universum — durch eine extrem mächtige Quantenfluktuation geboren — sich zunächst ausdehnen und dann wieder in sich zusammenstürzen könnte.
 
Zwei Jahre später nahm Edward Tryon (City University, New York, 1973) den Gedanken auf und entwickelte ihn weiter (in Nature, Bd. 246, S 396). Er legte dar, dass das Universum — falls seine Energiebilanz Null ist — gemäß Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation
 
 
ΔE Δt  >  h/2π
 
tatsächlich auch als Quantenfluktuation praktisch beliebig lange existieren kann. Er schrieb (Zitat): Ich behaupte nicht, dass Welten wie die unsere häufig vorkommen, sondern nur, dass die zu erwartende Häufigkeit nicht Null ist. Aus der Logik der Sache ergibt sich jedoch, dass Beobachter sich stets in Welten befinden, die imstande sind, Leben hervorzubringen, und solche Universen sind von imponierender Größe.
 
 
Ein ganzen Jahrzehnt lang blieb die Idee unbeachtet. Schließlich begann man doch, sich ernsthaft mit ihr auseinanderzusetzen. Die Berechnungen aber zeigten — anders als Tryon zunächst erwartet hatt — dass ein als Quantenfluktuation entstandenes Universum winzig klein und ein sehr kurzlebiges Phänomen sein müsse.
 
Dann aber fanden Kosmologen doch eine Möglichkeit, wie dieses so winzige Universum in einer dramatischen Explosion aufgeblüht sein könnte: Unter Berücksichtigung der um 1980 entstanden Inflationstheorie nämlich kann es sich durchaus in weniger als einem Augenblick so vergrößert haben, dass es dem Universum, das wir heute kennen, entspricht.
 
Anzeichen dafür, dass die Inflationstheorie richtig sein könnte, hat man kürzlich gefunden. Zudem sprechen Simulationsergebnisse für ihre Richtigkeit.
 
 
Im übrigen haben die Kosmologen schon vorher nach der » fehlenden Masse « Ausschau gehalten, die dafür sorgen könnte, dass unser Universum ein geschlossenes ist.
 
Was sie besonders gut brauchen könnten, wären Gravitionos mit einer Masse von etwa 1000 eV pro Teilchen: Die nämlich würden nicht nur zu einem geschlossenen Universum führen, sondern wären nach den Gleichungen, die die Ausdehnung des Raumes nach dem Urknall beschreiben, genau das Richtige, um die Bildung von Materie-Ansammlungen von der Größe typischer Galaxienhaufen hervorzurufen.
 
 
In den letzten Jahren ist das Interesse der Kosmologen an der Teilchenphysik noch stärker gewachsen, da nach der neuesten Interpretation der Symmetriebrechung die gebrochene Symmetrie selbst die treibende Kraft gewesen sein könnte, die unsere Raumzeit-Blase in ihren Expansionszustand versetzt hat.
 

Wir sprechen hier von den ganz frühen Anfängen des Universums, noch bevor es 10^-35 sec alt (und wohl mehr als 10²⁸ K heiß) war.
 
Die durch den Bruch der Symmetrie hervorgerufene Expansion dürfte exponentiell gewesen sein und die Größe jeden Raumvolumens alle 10^-35 sec ver­doppelt haben. Das entspricht der Vergrößerung eines Gebietes von der Größe eines Protons in sehr viel weniger als 1 sec auf die Größe des heute beobachtbaren Universums. Innerhalb diesen expandierenden Raumes werden sich dann wohl durch weiteren Phasenübergang ebenfalls Blasen gebildet haben, deren jede der von uns bewohnten Raumzeit entsprechen könnte.

 
Diese Theorie löst eine ganze Reihe kosmischer Rätsel und erklärt nicht zuletzt auch die sehr bemerkenswerte Tatsache, dass unsere Blase der Raumzeit sich in einem Tempo auszudehnen scheint, das gerade an der Grenze zwischen einem geschlossenen und einem offenen Universum liegt: Die Theorie vom sich auf­blähenden Universum  f o r d e r t , dass wegen des Verhältnisses der Masse/Energie-Dichte der Blase und der sie aufblähenden Kraft genau dieses Gleichgwicht erreicht wird.
 
Dieses Bild weist uns eine ganz unbedeutende Rolle im Universum zu, denn ihm zufolge befindet sich alles, was wir im Universum beobachten können, innerhalb einer Blase, die sich wiederum in einer sehr viel größeren, ebenfalls expandierenden findet.
 
Guth hat in seiner ersten Version des sich aufblähenden Universums nicht versucht, zu erklären, woher die erste winzige Blase kam. Es erscheint jedoch als nicht allzu weit hergeholt, sie mit einer Quantenfluktuation gleichzusetzen (so wie Tryon es beschrieben und vor ihm auch schon Boltzmann gedacht hat).

 
 
Quelle: John Gribbin: Auf der Suche nach Schrödingers Katze — Quantenphysik und Wirklichkeit, Piper 2004, S. 288-290.