Studie legt nahe, dass der Urknall im Inneren eines Schwarzen Lochs stattgefunden haben könnte

• Eine aktuelle Studie bringt die Möglichkeit ins Spiel, dass der Urknall (Big Bang) tatsächlich im Inneren eines Schwarzen Lochs stattgefunden haben könnte
• Diese Hypothese könnte die bestehende Standardtheorie zum Ursprung des Universums ergänzen oder verändern
• Ein zentrales Thema sind die Singularität und Quantengravitationsphänomene im Inneren eines Schwarzen Lochs
• Auf Basis von Beobachtungsdaten und theoretisch-physikalischen Analysen wird eine neue Perspektive vorgestellt
• Sie erweitert das Verständnis der Entstehung des Universums und seiner Frühphase und zeigt neue Richtungen für die Forschung auf

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Urknall (Big Bang) und die Hypothese eines Ursprungs im Inneren eines Schwarzen Lochs

Laut einer kürzlich veröffentlichten Studie könnte der Urknall, der weithin als Ursprung des Universums gilt, tatsächlich im Inneren eines Schwarzen Lochs stattgefunden haben. Im bestehenden Standardmodell wird der Urknall als absoluter Beginn von Zeit und Raum verstanden. Die neue Theorie zieht jedoch in Betracht, dass bereits vor dem Urknall wesentliche Prozesse im Inneren eines Himmelskörpers wie eines Schwarzen Lochs eingesetzt haben könnten.

Unterschiede zur bisherigen Standardtheorie

• In der Standardkosmologie dominiert die Vorstellung, dass das Universum aus einer Singularität (singularity) entstand, also aus einem Punkt, in dem alles unendlich verdichtet war
• Die neue Studie untersucht die Möglichkeit, dass sich diese Singularität im Inneren eines Schwarzen Lochs befand und dass unter den dortigen Bedingungen sowie durch Quantengravitationseffekte ein dem Urknall ähnliches Ereignis ausgelöst wurde
• Die Theorie weist auch Berührungspunkte zu früheren Arbeiten einiger theoretischer Physiker wie Stephen Hawking auf

Forschungsmethode und zentrale Punkte

• Das Forschungsteam analysierte auf Grundlage aktueller Beobachtungsdaten und theoretisch-physikalischer Berechnungen detailliert die zeitliche und räumliche Struktur im Inneren eines Schwarzen Lochs
• Dabei wird hervorgehoben, dass Zeit und Raum in einem Schwarzen Loch andere Eigenschaften haben könnten als im gewöhnlichen Universum
• Daraus ergeben sich neue Interpretationsmöglichkeiten dafür, wie das Universum erstmals entstand und wie der Expansionsprozess verlief

Bedeutung und weitere Forschung

• Diese Hypothese könnte die Debatte über die Entstehung und die Anfangsbedingungen des Universums stark beeinflussen
• Durch die Weiterentwicklung von Algorithmen und numerischen Modellen ließe sich die Plausibilität der Hypothese eines Ursprungs im Inneren eines Schwarzen Lochs weiter überprüfen
• Anstatt das bestehende Standardmodell zu ersetzen, bietet sie als ergänzender Ansatz einen neuen Rahmen zum Verständnis des Ursprungs des Universums

Fazit

Diese Studie ist eng mit verschiedenen Bereichen verbunden, darunter Kosmologie, Schwarze-Loch-Forschung und die Problematik der Quantengravitation. Sie schlägt eine neue Perspektive auf die seit Langem offene Frage rund um den Urknall vor und dürfte künftig vertiefte Diskussionen sowie experimentelle Überprüfungen anstoßen.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Bei diesem Thema frage ich mich, „was eigentlich auf dem Spiel steht“ – also ob die im Text behandelten Vorhersagen irgendwann in ferner Zukunft zu wichtigen Problemen führen könnten oder ob sie auch für nähere Zukunftsfragen hilfreich sind. Das ist nicht als Herabsetzung der Forschung gemeint, sondern reine Neugier.

• Beeindruckend ist, dass die Person, die diese Zusammenfassung geschrieben hat, einer der Autoren des Papers ist. Das bringt zwar die Last einer starken Vereinfachung mit sich, hat aber den Vorteil, dass zumindest das Risiko sinkt, die Wissenschaft falsch zu verstehen.

  • Hat wirklich Spaß gemacht zu lesen. Ich wünschte, mehr Forschende würden Whitepaper und Blogpost gemeinsam veröffentlichen. Natürlich verstehe ich auch, dass nicht alle Wissenschaftler gut bloggen können oder wollen, und es wäre beunruhigend, wenn Forschende irgendwann nur nach der Popularität ihrer Blogs oder ihrer Viralität bewertet würden.

  • Auf jeden Fall viel besser, als wenn die PR-Abteilung einer Universität überzogene Texte schreibt. Statt die üblichen Floskeln von Weltpremiere oder Paradigmenwechsel zu wiederholen, konzentriert sich der Autor auf das wirklich Wichtige – zum Beispiel: Ist das experimentell überprüfbar? Und wenn ja, wie müsste man es beobachten?

  • Wirklich ein guter Text. Die hier vorgeschlagene Lösung wirkt erstaunlich einfach und scheint die Probleme bestehender Modelle vollständig zu beheben. Man stellt sich fast vor, dass jedes Schwarze Loch in seinem Inneren ein eigenes Universum haben könnte.

• Interessante Geschichte, aber selbst wenn der Autor recht hat und das Universum tatsächlich im Inneren eines noch größeren Schwarzen Lochs entstanden ist, stellt sich sofort die nächste Frage: Wie ist dann dieses übergeordnete Universum entstanden? Vielleicht ist das etwas, das wir nie erfahren werden.

  • Vielleicht haben das größere Universum und die darin enthaltenen Universen sogar dieselbe selbstähnliche, fraktale Struktur. Dann wäre diese Frage gelöst.

  • Es sind Schildkröten bis ganz nach unten.

  • Irgendwie wirkt das so, als würde man das Universum zu sehr aus einer dreidimensionalen Perspektive betrachten.

  • Wenn man Quantenmechanik studiert, scheint sie einen fast zu der Vorstellung zu führen, dass „alles, was man sich vorstellen kann, gleichzeitig real existiert“. Also dass alle möglichen Universen und physikalischen Gesetze in irgendeiner Form tatsächlich existieren und wir nur in einem davon leben. Das erinnert daran, dass die Erde aus Sicht des Sonnensystems besonders erscheinen mag, aus Sicht des Universums aber keineswegs.

• Ich habe mich für dieses Thema schon lange sehr interessiert. Ich habe zwar keine physikalische Ausbildung, aber nachdem ich erfahren hatte, dass die Masse eines Schwarzen Lochs proportional zum Schwarzschild-Radius ist, erschien mir das sehr plausibel. Je größer ein Schwarzes Loch wird, desto geringer wird seine Dichte, und kombiniert mit der Beobachtung, dass unser Universum im großen Maßstab eine nahezu konstante Dichte hat, müsste es irgendwo einen Schnittpunkt geben, an dem die abnehmende Dichte eines supermassereichen Schwarzen Lochs auf die feste Gesamtdichte des Universums trifft. Ich spreche öfter mit Kollegen über Physik, habe dazu aber nie eine klare Antwort bekommen. Außerdem sind die Implikationen davon wirklich faszinierend.

  Irgendwie fühle ich mich unwohl damit, wie Dunkle Energie anstelle einer „echten“ Energie erklärt wird. Meist heißt es, sie sei „die Ursache, die alles auseinanderdrückt“, aber eigentlich wirkt Dunkle Energie eher wie eine Art negative Energie, also wie ein Verlust an Gesamtenergie, die aus dem Universum verschwindet. In der klassischen Physik wird potenzielle Energie gespeichert, wenn sich zwei Körper voneinander entfernen, und kann später wiedergewonnen werden. Dunkle Energie ist anders: Je weiter die Dinge auseinander sind, desto schneller entfernen sie sich weiter. Aus globaler Sicht wirkt das wie eine Struktur des Energieverlusts. Das setzt sich auch in der Quantenwelt fort: Hochfrequente Photonen werden zu niederfrequenten. Dunkle Energie fühlt sich an wie Energie, die das Universum irreversibel verlässt – fast wie Verdampfung im Inneren eines Schwarzen Lochs.

  Wenn man diese Frage im echten Leben stellt, bekommt man meist zur Antwort, dass die „Energie“-Komponente der Dunklen Energie als eine Form von „Spannung“ des Universums normalisiert sei, aber diese Erklärung klingt für mich nicht besonders befriedigend.

  • Das erinnert mich an eine raffinierte Theorie, die ich früher mal auf HN gesehen habe: Eine Hypothese dafür, warum sich das Universum immer schneller ausdehnt, war, dass die Zeit je nach Masse unterschiedlich schnell vergeht. In den Leerräumen zwischen Galaxien würde die Zeit dann schneller vergehen als innerhalb von Galaxien, und auf kosmischen Skalen könnte sich dieser Unterschied stark aufsummieren. Für jemanden wie mich ohne Fachhintergrund klingt das plausibel.

  • Zu dem Gedanken „Dunkle Energie fühlt sich an wie Energie, die aus dem Universum verschwindet, fast wie Verdampfung im Inneren eines Schwarzen Lochs …“: Schwarze Löcher werden tatsächlich größer, wenn Materie über den Ereignishorizont hineinfällt, und kleiner, wenn sie verdampfen. Wenn man also die Expansion des Universums und Energieverlust in das Bild eines Schwarzen Lochs übersetzt, würde das eher bedeuten, dass mehr Energie hineinströmt.

  • Wenn man die geschätzte Masse des Universums in die Schwarzschild-Formel einsetzt, stellt man fest, dass sie erstaunlich nah an der Größe des beobachtbaren Universums liegt.

  • Auf die Frage „Ist es nicht plausibler, Dunkle Energie als negative Energie zu sehen?“: Aus der Sicht eines weiteren Nichtfachmanns scheint mir fraglich, ob die Zahlen überhaupt zusammenpassen. Die Energie, die ein Schwarzes Loch theoretisch verliert, ist viel zu gering, um detektiert zu werden, während Dunkle Energie insgesamt der größte Bestandteil des beobachtbaren Universums ist.

  • Zur Behauptung, unser Universum zeige beobachtbar eine homogene Dichte auf großen Skalen: Das galt tatsächlich zur Zeit der recombination, aber die Annahme, dass diese Homogenität die gesamte Entwicklung bis heute beschreibt, ist Teil des LCDM-Standards, und ich halte das nicht für ausreichend empirisch abgesichert. Siehe Cosmic web, Inhomogeneous cosmology.

    Ich stimme der Intuition zu, dass „Dunkle Energie wie negative Energie wirkt“. Wenn man in den Einstein-Gleichungen den Lambda-Term auf die Seite des Energie-Impuls-Tensors verschiebt, spielt er tatsächlich eine negative Rolle, und Beobachtungen deuten darauf hin, dass Lambda positiv ist.

    In einem klassischen System kann die gespeicherte potenzielle Energie später zurückgewonnen werden, wenn sich zwei Objekte voneinander entfernen. Bei Dunkler Energie ist das anders: Je weiter entfernt, desto stärker die Beschleunigung. In globaler Sicht kann man das also als Energieverlust betrachten.

    In der Allgemeinen Relativitätstheorie gilt Energieerhaltung nicht global für das gesamte Universum Conservation of energy, sondern nur lokal, und selbst die strenge Definition der Energie der Raumzeit ist schwierig Stress–energy tensor, Mass in general relativity.

    Dunkle Energie, also die kosmologische Konstante, ist buchstäblich konstant, daher ändert sich auch bei Energieverlust durch Expansion nicht die Gravitationskonstante. Siehe dieses arxiv-Paper.

• Wenn man sich die im Paper zentrale Idee des „fermion bounce“ ansieht und sie mit den uns bekannten Größenordnungen von Masse und Energie vergleicht, landet man am Ende bei einem enorm großen Schwarzen Loch. Falls ein so großes Schwarzes Loch existiert hat, fragt man sich unweigerlich, in welcher Umgebung es sich befand – selbst wenn es aufgrund positiver Krümmung in einem inneren Bereich hin- und hergefangen gewesen sein sollte …

  Allerdings gibt es Diskussionen zur Theorie vom Schwarzen-Loch-Universum schon ziemlich lange. Als revolutionäre oder radikale Alternative würde ich das nicht sehen; auf die Idee kommt man fast von selbst, sobald man das Konzept des Ereignishorizonts versteht. Neu an diesem Paper ist eher, dass es eine „analytische Lösung“ liefert.

• Als Hard-SF-Lektüre kann ich Gregory Benfords „Cosm“ von 1999 empfehlen. Darin wird im Labor ein Miniuniversum in Bowlingkugelgröße erschaffen, und der Wissenschaftler versucht, dieses Universum vor Regierungsagenten zu schützen. Ein interessanter Punkt dabei ist, dass in diesem Universum auch die Zeit relativ zu seiner Größe skaliert, sodass man nicht ewig warten muss.

  • Direkt auf die Leseliste gesetzt. Ich finde es immer großartig, auf HN SF-Empfehlungen zu sehen. Andererseits gibt es so viele gute Bücher, dass sich der Stapel ungelesener Bücher nur weiter auftürmt und man sie wohl nie alle im Leben schaffen wird.

  • Das Setting erinnert mich an „Horton Hears a Who“.

  • Als ähnlicher Klassiker wurde Theodore Sturgeons „Microcosmic God“ (1941) erwähnt.

  • Ich meine, es gab bei Star Trek DS9 eine ähnliche Episode.

  • Es erinnert mich auch an Rick and Morty, Staffel 2, Episode 6 „The Ricks Must be Crazy“, in der Rick ein ganzes Mikroversum erschafft, um es als Batterie für sein Raumschiff zu benutzen, und ein Wissenschaftler darin wiederum ein Miniversum erzeugt.

• Ich habe irgendwo einmal die Hypothese gelesen, dass unser 3D-Universum das Innere eines 4D-Schwarzen Lochs ist. Die Idee war, dass beim Überschreiten des Ereignishorizonts die radiale Koordinate zeitartig wird und dadurch ein Freiheitsgrad verloren geht, während man sich in den Winkelrichtungen weiterhin bewegen kann, sodass ein N-1-dimensionales Universum entsteht. Also ein 3D-Universum aus Materie, die in ein 4D-Schwarzes Loch gefallen ist, ein 3D-Schwarzes Loch als 2D-Flatland und das äußere 4D-Universum wiederum in einem 5D-Schwarzen Loch …

  • Der Hinweis dazu: Im Vierdimensionalen funktioniert der curl operator nicht.

  • Zu der Aussage „Wenn man den Ereignishorizont überschreitet, wird die radiale Koordinate zeitartig und man verliert eine Raumdimension“: Auch die Zeitkoordinate wird dabei gleichzeitig raumartig, sodass weiterhin drei Freiheitsgrade bleiben. Die Dimensionen verschwinden also nicht einfach; zugrunde liegt weiterhin die physikalische Annahme einer 4D-Lorentz-Mannigfaltigkeit der Raumzeit. Außerdem liegt die Singularität eines Schwarzen Lochs gewissermaßen in der Zukunft und ist kein „Ort“, den man als Teilchen tatsächlich berühren könnte.

  • Danach gibt es noch das Gedankenspiel, dass die uns vertrauten physikalischen Konstanten unseres Universums vielleicht Überreste sein könnten, die aus höheren Dimensionen wie Spaghetti langgezogen wurden. Ich habe früher einmal darüber nachgedacht, ob die Lichtgeschwindigkeit c genau so eine „spaghettifizierte“ Konstante sein könnte. Vielleicht sind ja alle Konstanten Überreste eines übergeordneten Universums – halb im Scherz.

  • Ich frage mich, was sich in einem eindimensionalen Schwarzen Loch befinden würde.

• Zur Beschreibung „Der Urknall sei eine Singularität, aus der das Universum explosionsartig entstand“: In den Medien liest man das oft, aber eigentlich ist das nicht die gegenwärtige Standardtheorie. Szenarien wie „Vor dem Urknall gab es keine Raumzeit“ sind eher Stephen Hawkings persönliche Sichtweise.

  • Genauer gesagt: Unsere heutigen Theorien haben schlicht keine Möglichkeit, ein „Vor dem Urknall“ zu beschreiben. Sobald man theoretisch an den Punkt gelangt, an dem Quantengravitation nötig wäre, bricht unsere Mathematik vollständig zusammen. Deshalb können wir über den Zustand vor dem Urknall überhaupt keine Aussagen machen. Auch die Behauptung, es habe davor keine Raumzeit gegeben, ist also letztlich nur Spekulation. In den Medien werden solche Schlussfolgerungen ständig als „Wissenschaftsnachrichten“ dargestellt, obwohl die Wissenschaft dazu im Kern keine offizielle Position hat und alle Aussagen spekulativ sind. Die Medien vermitteln solche Spekulationen oft fälschlich als wissenschaftliche Schlussfolgerung.

  • Viele Menschen scheinen – bewusst oder unbewusst – das Wesen des Standardmodells (Lambda-CDM), wonach es „kein Vorher“ des Urknalls gibt, nicht richtig zu verstehen. Vor t=0 gibt es in diesem Bild selbst keinen Zeitbegriff.

  • Ich frage mich, was die aktuelle Standardtheorie genau ist.

  • Irgendwann wird sich wohl herausstellen, dass unser Universum nicht der einzige Zyklus ist – dass wir also weder das einzige Universum noch der einzige Zyklus sind. Historisch sind wir schon von der Vorstellung weggekommen, die Erde sei das Zentrum des Kosmos, dann das Sonnensystem, und vielleicht stehen wir nun vor dem nächsten Schritt: dass auch unser Universum unter vielen Universen nichts Besonderes ist.

  • Wenn man die Vorstellung nicht akzeptieren kann, dass das Universum „von selbst“ entstanden ist, dann unterscheidet sich der Glaube an Gott davon vielleicht auch nicht so sehr – als Scherz gesagt.

• Zur Erklärung im Paper, dass laut „Penroses Theorem“ das quantenmechanische Ausschlussprinzip – also dass zwei Fermionen nicht denselben Zustand besetzen können – verhindere, dass Materie unendlich komprimiert wird, sodass der Kollaps stoppt und ein Rückprall erfolgt: Warum kollabieren dann Neutronensterne zu Schwarzen Löchern, obwohl dort dieses Ausschlussprinzip ebenfalls gilt?

  • Vielleicht, weil ein Schwarzes Loch eine makroskopische Verzerrung der Raumzeit ist und nicht nur ein Phänomen lokaler Quanteneigenschaften?

  • Einer der Gründe, warum Neutronensterne zu Schwarzen Löchern kollabieren, ist die „Elektroneneinfang“-Reaktion, bei der Elektronen zwangsweise mit Protonen zu Neutronen und Neutrinos verschmelzen. Bei genügend Druck durchläuft Materie verschiedene Stadien entarteter Materie, und theoretisch wäre im letzten entarteten Zustand sogar ein Objekt möglich, das kleiner als sein Schwarzschild-Radius ist. Da solche Materiezustände aber unbeobachtbar sind, bleibt vieles ungewiss. Niemand weiß, was innerhalb des Schwarzschild-Radius geschieht. Es gibt viele Ideen, aber keine gesicherte Erklärung; die Quantenphysik nahe der Singularität eines Schwarzen Lochs ist weiterhin unbekannt.

  • Die Antwort dürfte sein, dass bei hinreichend großer Masse die Gravitation so stark wird, dass der Kollaps weitergeht, selbst wenn alle Fermionen unterschiedliche Zustände besetzen.

• Zur Erklärung „Die Theorie des Schwarzen-Loch-Universums betrachtet unser gesamtes Universum als im Inneren eines Schwarzen Lochs in einem übergeordneten Universum entstanden“: Bedeutet das dann, dass es in den Schwarzen Löchern unseres Universums wiederum weitere Universen gibt? Allein die Vorstellung ist schon umwerfend.

  • Solche Ideen gibt es tatsächlich schon länger. Allerdings ist die Formulierung, ein Universum sei „im“ Schwarzen Loch enthalten, vielleicht nicht ganz präzise. Siehe White hole Big Bang/Supermassive White Hole siehe Artikel.

  • Vielleicht war der Film Men In Black ja doch eine Dokumentation.