- Ein neuer Artikel in Physical Review D interpretiert den Urknall nicht als Anfang von allem, sondern als Ergebnis eines Bounce im Inneren eines sehr massereichen Schwarzen Lochs, das durch Gravitationskollaps entstanden ist
- Die Standardkosmologie erklärt Struktur und Entwicklung des Universums mit dem Urknall, kosmischer Inflation und Dunkler Energie, lässt aber grundlegende Probleme wie die Singularität und direkt nicht beobachtete Komponenten offen
- Das neue Modell wendet das Quanten-Ausschlussprinzip an und zeigt, dass kollabierende Materie nicht unendlich komprimiert wird, sondern in einem hochdichten Zustand stoppt und anschließend in eine Expansion übergehen kann
- Der Bounce wird im Rahmen der Grundprinzipien von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik behandelt und kommt nach Ansicht der Autoren ohne spekulative Physik wie exotische Felder oder zusätzliche Dimensionen aus
- Sollte durch Beobachtungen bestätigt werden, dass das Universum nicht völlig flach ist, sondern eine kleine positive räumliche Krümmung besitzt, könnte das ein starkes Indiz für ein Universumsmodell mit Bounce-Ursprung sein
Ein Modell, das den Urknall als Bounce statt als Anfang betrachtet
- Ein neuer in Physical Review D veröffentlichter Artikel schlägt vor, dass der Urknall nicht der Anfang von allem war, sondern das Ergebnis eines Bounce im Inneren eines sehr massereichen Schwarzen Lochs, das durch Gravitationskollaps entstand
- Dieses Modell wird als Black-Hole Universe bezeichnet; es betrachtet den Ursprung des Universums auf völlig andere Weise und versteht sich dennoch als auf bekannter Physik und Beobachtungen basierend
- Der Ablauf sieht so aus: Eine überdichte Ansammlung von Materie kollabiert gravitativ, erreicht eine extrem hohe Dichte und prallt dann statt in einer Singularität zu enden zurück, wodurch eine neue Expansionsphase entsteht
Lücken, die die Standardkosmologie offenlässt
- Das kosmologische Standardmodell erklärt Struktur und Entwicklung des Universums erfolgreich auf Basis des Urknalls und der frühen raschen Expansion des Universums, der kosmischen Inflation
- Das Urknallmodell beginnt jedoch mit einer Singularität unendlicher Dichte, an der die physikalischen Gesetze nicht mehr funktionieren
- Um die großräumige Struktur des Universums zu erklären, führten Physiker eine Inflationsphase ein, die von einem unbekannten Feld mit ungewöhnlichen Eigenschaften angetrieben wird
- Für die heute beobachtete beschleunigte Expansion ist eine weitere unbekannte Komponente nötig: Dunkle Energie
- Das Standardmodell funktioniert gut, stützt sich aber auf neue, nicht direkt beobachtete Komponenten und lässt Fragen offen wie „Woher kam alles?“, „Warum begann es auf diese Weise?“ und „Warum ist das Universum so flach, glatt und groß?“
Wie im Inneren eines Schwarzen Lochs statt einer Singularität ein Bounce entsteht
- Das neue Modell verfolgt nicht ein expandierendes Universum rückwärts, sondern untersucht, was im Inneren geschieht, wenn überdichte Materie gravitativ kollabiert
- Der Prozess, bei dem ein Stern kollabiert und zu einem Schwarzen Loch wird, ist vertraut; doch das Innere des Ereignishorizonts, aus dem nichts entkommen kann, bleibt weiterhin rätselhaft
- Roger Penrose bewies 1965, dass Gravitationskollaps unter allgemeinen Bedingungen zu einer Singularität führen muss; Stephen Hawking und andere erweiterten diese Ergebnisse
- Diese Singularitätssätze stützen die Vorstellung, dass Singularitäten wie beim Urknall unvermeidlich sind
- Penrose erhielt für diese Leistung 2020 gemeinsam den Nobelpreis für Physik
- Allerdings beruhen diese Sätze auf klassischer Physik, die makroskopische Objekte beschreibt
- Bei extremen Dichten müssen Effekte der Quantenmechanik berücksichtigt werden, die die mikroskopische Welt der Atome und Teilchen bestimmen; dann kann sich die Schlussfolgerung ändern
Mathematische Ergebnisse und physikalische Bedingungen des neuen Artikels
- Der Artikel zeigt, dass Gravitationskollaps nicht zwangsläufig in einer Singularität enden muss, und präsentiert eine exakte analytische Lösung ohne Näherungen
- Mathematisch wird berechnet, dass sich die Größe des Universums bei Annäherung an eine potenzielle Singularität als hyperbolische Funktion der kosmischen Zeit verändert
- Diese Lösung beschreibt, wie eine kollabierende Materiewolke einen hochdichten Zustand erreicht, anschließend nach außen zurückprallt und in eine neue Expansionsphase eintritt
- Der entscheidende Mechanismus, der den Bounce ermöglicht, ist das Quanten-Ausschlussprinzip
- Zwei identische Fermionen können nicht denselben Quantenzustand, etwa denselben Spin, einnehmen
- Aufgrund dieser Regel können die Teilchen in der kollabierenden Materie nicht unendlich stark komprimiert werden
- Dadurch kommt der Kollaps zum Stillstand und kehrt sich um; unter passenden Bedingungen kann ein Bounce nicht nur möglich, sondern unvermeidlich werden
- Dieser Bounce findet innerhalb eines Rahmens statt, der die Allgemeine Relativitätstheorie für große Skalen wie Sterne und Galaxien mit den Grundprinzipien der Quantenmechanik verbindet
- Das Modell geht davon aus, dass es keine exotischen Felder, zusätzlichen Dimensionen oder spekulative Physik benötigt
Alternative Erklärungen für Inflation und Dunkle Energie
- Das nach dem Bounce entstehende Universum kann dem heutigen Universum sehr ähnlich aussehen
- Darüber hinaus erklärt das Modell, dass der Bounce auf natürliche Weise zwei unterschiedliche Phasen beschleunigter Expansion hervorbringt: Inflation und Dunkle Energie
- Diese beiden Phasen gehen dieser Interpretation zufolge nicht aus hypothetischen Feldern hervor, sondern aus der Physik des Bounce selbst
Überprüfbare Vorhersagen und Beobachtungshinweise
- Eine der Stärken des Modells ist, dass es überprüfbare Vorhersagen macht
- Das Modell sagt voraus, dass das Universum nicht exakt flach ist, sondern eine kleine, aber von null verschiedene positive räumliche Krümmung besitzen muss
- Diese wird als Spur der anfänglichen kleinen Überdichte interpretiert, die den Kollaps auslöste
- Gemeint ist, dass das Universum leicht gekrümmt ist, ähnlich wie die Erdoberfläche
- Sollten künftige Beobachtungen wie die laufende Euclid mission eine kleine positive Krümmung bestätigen, könnte das ein starkes Indiz dafür sein, dass das Universum aus einem solchen Bounce hervorgegangen ist
- Das Modell macht auch eine Vorhersage zur aktuellen Expansionsrate des Universums; diese Vorhersage gilt den Autoren zufolge bereits als überprüft
Fragen zur frühen Kosmologie und zur Erforschung Dunkler Materie
- Das Black-Hole-Universe-Modell könnte über technische Probleme der Standardkosmologie hinaus neue Hinweise auf weitere Rätsel des frühen Universums liefern
- Mögliche damit verbundene Fragen betreffen den Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher, die Natur der Dunklen Materie sowie die hierarchische Bildung und Entwicklung von Galaxien
- Künftige Weltraummissionen wie Arrakhis sollen diffuse Strukturen untersuchen, die mit klassischen bodengebundenen Teleskopen schwer nachzuweisen sind
- Dazu gehören stellare Halos, kugelförmige Strukturen aus Sternen und Kugelsternhaufen, die Galaxien umgeben
- Ebenfalls dazu gehören Satellitengalaxien, also kleine Galaxien, die größere Galaxien umkreisen
- Solche Beobachtungen können helfen, Dunkle Materie und die Entwicklung von Galaxien besser zu verstehen
- Übrig gebliebene kompakte Objekte, etwa Schwarze Löcher, die in der Kollapsphase entstanden sind und den Bounce überstanden haben, könnten mit diesen Phänomenen zusammenhängen
Eine Perspektive auf unseren Platz im Universum
- Im Rahmen des Black-Hole-Universe befindet sich das gesamte beobachtbare Universum im Inneren eines Schwarzen Lochs, das in einem größeren Mutteruniversum entstanden ist
- Aus dieser Perspektive ist der Platz des Menschen nicht besonders; sie steht im Gegensatz zum geozentrischen Weltbild, nach dem die Erde das Zentrum des Universums ist
- Das Modell betrachtet das Universum weniger als eine Szene, in der alles aus dem Nichts entsteht, sondern als Abfolge eines kosmischen Zyklus, der durch Gravitation, Quantenmechanik und die tiefe Verbindung zwischen beiden geprägt ist
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Eine von der Autorin bzw. dem Autor der wissenschaftlichen Arbeit selbst geschriebene Zusammenfassung, daher sauber. Es besteht zwar das Risiko einer übermäßigen Vereinfachung, aber zumindest entfällt die Möglichkeit, dass die schreibende Person die Grundlagenwissenschaft nicht verstanden hat
Allerdings bereitet mir eine Welt Sorgen, in der Forschende eher nach dem viralen Erfolg ihrer Blogposts bewertet werden als nach der Wirkung ihrer Forschung
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Dieser Text basiert nicht auf Managementtheorie oder institutionellen Metaphern, sondern auf einer Physikarbeit (arXiv:2505.23877).
Was die Arbeit tatsächlich vorschlägt, ist, dass der Urknall ein gravitativer Rückstoß im Inneren eines Schwarzen Lochs gewesen sein könnte, das in einem größeren Elternuniversum entstanden ist. Quanten-Entartungsdruck stoppt den Kollaps, bevor eine Singularität entsteht; von außen sieht es wie ein Schwarzes Loch aus, im Inneren entfaltet es sich jedoch zu 13,8 Milliarden Jahren Expansion. Kurz gesagt: ein relativistisches Kollapsmodell mit Quantenkorrekturen, das Singularitäten vermeidet, eine kleine negative Krümmung und eine natürliche inflationsähnliche Phase enthält und überprüfbare Vorhersagen liefert
Der Vorschlag besteht darin, in der Allgemeinen Relativitätstheorie den Kollaps einer großen, dünnen kugelförmigen Materiewolke zu betrachten. Dabei entsteht ein Ereignishorizont, danach sieht es von außen wie ein gewöhnliches Schwarzes Loch aus, und die innere Entwicklung ist nicht mehr einsehbar. Im Inneren befinden sich eine Materiewolke, eine große Vakuumschale und der Ereignishorizont.
Die Quantenmechanik deutet an, dass die Zustandsgleichung aufgrund des Entartungsdrucks zunächst wie „dünner Staub“ aussieht, aber ab einem gewissen Punkt nahezu „inkompressibel“ wird. Unter mehreren Annahmen und Näherungen erhält man eine Lösung, in der das Innere wegen des Entartungsdrucks zurückprallt; aus innerer Sicht entsteht offenbar eine scheinbare kosmologische Konstante, und der kosmologische Horizont entspricht dem von außen gesehenen Horizont des Schwarzen Lochs.
In der Arbeit werden durchgehend grobe Zahlen eingesetzt, um zu behaupten, dass Größe, Masse, Alter und scheinbare kosmologische Konstante unseres beobachtbaren Universums mit diesem Mechanismus vereinbar sind; Störungen und Anisotropien der kosmischen Hintergrundstrahlung werden ebenfalls eher handwaving-mäßig behandelt. Wenn es funktioniert, wäre es wirklich großartig, aber ich bin noch nicht überzeugt, dass das Modell intern wirklich sauber trägt, und es wirkt, als gebe es viel Handwaving. Auch die Anpassung an das tatsächlich beobachtete Universum ist noch nicht überzeugend.
Ich bin seit Jahren von der Kosmologie weg und kein Physiker, sondern Mathematiker, also sollte man diese Einschätzung mit großer Vorsicht genießen. Sie basiert auf der Lektüre des arXiv-Preprints; ich habe nicht alle Rechnungen und Literaturangaben nachvollzogen.
Außerdem scheint die Stabilität in der Nähe des Rückpralls nicht behandelt zu werden. In diesem Bereich gibt es meines Wissens bekannte BKL-artige anisotrope Instabilitäten. Bei geeigneten Parametern könnte der Rückprall eintreten, bevor solche Instabilitäten anwachsen, und vielleicht behaupten die Arbeit oder die Referenzen genau das für Zahlen, die auf das beobachtete Universum abgestimmt sind, und ich habe es übersehen. Wenn aber alles zusammenpasst, wäre schon das Modell selbst erstaunlich, selbst wenn es instabil ist
Es ist schwer vorstellbar, wie groß ein 4-dimensionales Universum sein müsste, um unser Universum zu enthalten, und wenn es noch mehr Schichten gäbe, würde es absurd groß. Umgekehrt könnten in unserem Universum leicht unzählige flache Universen enthalten sein
Wenn der Kern des Textes der Fermionen-Rückprall ist, müsste es angesichts der Menge an Materie und Energie, die wir kennen, ein gewaltiges Schwarzes Loch sein, und man fragt sich, in welcher Umgebung es gewesen sein müsste, um eine solche Größe zu erreichen.
Allerdings gibt es Theorien und Spekulationen über Schwarze-Loch-Universen schon lange, und wenn man das Konzept des Ereignishorizonts lernt, ist das ein Gedanke, der einem ganz natürlich kommen kann. Ich fände es daher gut, das etwas stärker anzuerkennen, statt es nur als „radikale und erstaunliche Alternative“ darzustellen. Der Unterschied liegt in der analytischen Lösung
Zu dieser Theorie gibt es zwei Probleme bzw. Fragen
Erstens braucht sie ein Elternuniversum, das nicht in einem Schwarzen Loch entstanden ist. Dann müsste es einen zweiten Mechanismus zur „Universumserzeugung“ geben, den wir im Kinduniversum womöglich nicht erkennen können. Statt eines unbekannten Feldes mit seltsamen Eigenschaften hätte man dann ein unbekanntes Elternuniversum mit seltsamen Eigenschaften; die eigentliche Frage „Wie hat unser Universum begonnen?“ scheint damit nicht beantwortet zu werden
Zweitens müsste das Schwarze Loch im Elternuniversum die gesamte Materie enthalten, die wir sehen, und daher viel größer sein als jedes in unserem Universum bekannte Schwarze Loch. Es ist fraglich, wie ein Schwarzes Loch entstehen könnte, das 750 Milliarden Mal größer ist als das größte bekannte Schwarze Loch
In Schwarzen-Loch-Modellen wie der Schwarzschild-Lösung gibt es einen Bereich asymptotisch flacher Raumzeit, der aus Sicht unseres Universums Teil des Schwarzen Lochs ist. Dass nahe der Singularität etwas passiert und ein neues Universum entsteht, klingt nicht völlig verrückt
Wenn unser Universum das Kind eines anderen Universums ist und dieses wiederum das Kind eines weiteren, passt das zu Multiversumsmodellen, die Fragen wie „Warum haben die Parameter des Universums genau diese Werte?“ behandeln. Vielleicht befinden wir uns zufällig in einem Universum, in dem wir leben können; vielleicht gibt es auch eine Art natürliche Selektion, bei der Universen, die mehr Schwarze Löcher erzeugen, mehr Kinder haben
Zur relativen Größe des Eltern-Schwarzen-Lochs: Im Universum muss Energieerhaltung im üblichen Sinn nicht unbedingt gelten. Eine Idee ist, dass die gravitative Bindungsenergie des Universums dem negativen Wert der Gesamtmasse des Universums entspricht, sodass die Summe null ist; dann würde mehr oder weniger davon nichts verletzen
Ob sich dieser Prozess ewig wiederholt, ob beim Rückprall Energie verloren geht und, falls ja, wohin und wie, sind separate Fragen
Dass das Schwarze Loch des Elternuniversums viel größer sein müsse, stimmt zugleich und stimmt nicht. Dabei wird Kontraktion nicht berücksichtigt. In der Relativitätstheorie ist auch eine Situation möglich, in der man eine 100-Fuß-Leiter in eine 10-Fuß-Scheune bekommt
Vor allem muss man für eine Veröffentlichung nicht alles auf einmal wissen. Wenn das so wäre, könnte niemand Papers veröffentlichen. Kritik ist gut, und diese Kritik führt zur nächsten Arbeit
Wir wissen auch nicht, ob unser Universum im Vergleich zu anderen Universen groß oder klein ist. Wir wissen nicht, ob es überhaupt sinnvoll ist, die Größe von Universen miteinander zu vergleichen, und falls ja, wie das gehen sollte. Der Urknall selbst ist vielleicht die größte Spekulation der modernen Wissenschaft
Ich habe irgendwo einmal gelesen, dass unser dreidimensionales Universum in einem vierdimensionalen Schwarzen Loch liegen könnte. Die Erklärung war: Wenn man den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs überschreitet, wird die Radiuskoordinate zeitartig, sodass man einen räumlichen Freiheitsgrad verliert; Bewegung in tangentialer Richtung bleibt aber weiterhin möglich, wodurch ein N-1-dimensionales Universum entsteht
Demnach könnte unser dreidimensionales Universum Materie sein, die in ein vierdimensionales Schwarzes Loch gefallen ist, und unsere dreidimensionalen Schwarzen Löcher könnten zweidimensionale Flachland-Universen enthalten. Auch das äußere vierdimensionale Universum könnte in einem fünfdimensionalen Schwarzen Loch liegen, und so weiter
Früher habe ich einmal auf c getippt. Es wäre ja eine Konstante. Vielleicht sind sogar alle Konstanten spaghettifizierte Überreste eines höherdimensionalen Universums
Außerdem ist die Singularität, nachdem man in ein Schwarzes Loch geraten ist, kein Ort, den man mit einem Stock anstupsen kann. Die Singularität liegt in deiner Zukunft, auf dieselbe Weise, wie der Tod in deiner Zukunft liegt
Ein interessanter Text, aber selbst wenn der Autor recht hat und das Universum aus einem Schwarzen Loch eines größeren Universums entstanden ist, bleibt die Frage: Wie ist dann dieses größere Universum entstanden? Vielleicht ist das eine Frage, die sich nicht beantworten lässt
Vor ein paar Jahrhunderten hätte man vielleicht gefragt: „Was passiert, wenn man bis ans Ende der flachen Erde geht?“ Oder man könnte fragen: „Was liegt nördlich des Nordpols?“
Allerdings scheint es keine Hypothese zum Ursprung zu geben
In diesem Sinne könnten Schwarze Löcher Bereiche sein, in denen unser Universum aus einem Zustand niedriger Entropie in einen nahezu unendlichen Anfangsentropiezustand zurückkehrt
Zu diesem Thema habe ich sehr viele Fragen.
Ich habe keine formale Ausbildung in Physik, aber nachdem ich gelernt hatte, dass die Masse eines Schwarzen Lochs linear proportional zum Schwarzschild-Radius ist, kam mir dieser Gedanke ziemlich plausibel vor. Je größer ein Schwarzes Loch wird, desto niedriger müsste seine Gesamtdichte sein. Kombiniert man das mit der Beobachtung, dass unser Universum in großen Maßstäben eine gleichmäßige Dichte hat, schien es mir, als müsste es einen Schwellenwert geben, an dem die abnehmende Dichte eines sehr großen Schwarzen Lochs und die feste Dichte des beobachtbaren Universums zusammentreffen.
Ich habe diese Frage oft mit technisch orientierten Kollegen besprochen, die gern über Physik reden, aber nie eine klare Antwort bekommen.
Andererseits habe ich oft gesehen, dass Dunkle Energie wie eine Art Ersatz für reale Energie erklärt wird, also als zugrunde liegende Energie, die Dinge voneinander weg beschleunigt. Diese Formulierung hat sich für mich immer unangenehm angefühlt. Plausibler erschien es mir eher, sie als negative Energie zu betrachten, also als Verlust an Gesamtenergie.
In einem klassischen Feld wird, wenn zwei Körper sich voneinander entfernen, potenzielle Energie gespeichert, die später zurückgewonnen werden kann. Dunkle Energie funktioniert nicht so: Je weiter die Körper entfernt sind, desto schneller entfernen sie sich. Aus globaler Perspektive sieht das wie ein Energieverlust aus. Dieser Verlust sickert auch in die Quantenwelt ein: Ein Photon, das mit hoher Frequenz startet, kommt mit niedriger Frequenz an.
Daher fühlt es sich angemessener an, Dunkle Energie als etwas zu verstehen, bei dem Energie im Universum in irgendeiner Form entzogen wird und nicht zurückkehrt. Vielleicht ist es so etwas wie Verdampfung Schwarzer Löcher, von innen beobachtet. Wenn man Leute konkret fragt, hört man zwar als Antwort, dass die „Energie“-Komponente der Dunklen Energie als „Spannung“ des Raums normalisiert werde, aber selbst ohne Physik richtig studiert zu haben, fand ich das nicht zufriedenstellend.
In der Leere zwischen Galaxien vergehe die Zeit schneller als innerhalb von Galaxien, und auf der Skala des gesamten Universums summiere sich dieser Unterschied stark auf. Mein Verständnis dieses Gebiets ist sehr begrenzt, aber diese Theorie gefiel mir ziemlich gut und schien mir in gewissem Maße Sinn zu ergeben.
Die Größe des Schwarzschild-Volumens und die Dichte werden allein durch die Masse bestimmt; im ruhenden, nicht rotierenden Fall ist die Dichte umgekehrt proportional zum Quadrat der Masse. Dichte = 3c⁶/32πG³M²
Supermassereiche Schwarze Löcher liegen bei etwa 0,5 kg/m³, also irgendwo zwischen dünner Luft und Wasser, während Schwarze Löcher mit stellarer Masse bei etwa 1e19 kg/m³ liegen, also noch einige Größenordnungen über Neutronensternen.
Der Urknall wird in den Medien häufig als „explosive Geburt des Universums, bei der Raum, Zeit und Materie ins Dasein traten“ beschrieben. Das ist jedoch nicht die derzeit akzeptierte Theorie. „Was, wenn es vor dem Urknall keinen Raum und keine Zeit gab?“ ist eher Stephen Hawkings persönliche Theorie.
Es gibt keine prinzipielle, vernünftige Methode, Aussagen über die Zeit vor dem Punkt zu machen, an dem unsere Theorien versagen; dazu gehört auch die Behauptung, „davor habe es überhaupt keinen Raum und keine Zeit gegeben“.
Deshalb war alles, was man über „vor dem Urknall“ gehört hat, immer Spekulation. Weil Wissenschaftsmedien solche Spekulationen ständig aufgreifen, wird die Berichterstattung manchmal so gelesen, als würde die Wissenschaft ihre Position ständig ändern. Aber zu diesem Thema hatte die Wissenschaft nie eine konsistent vertretbare Position. Gewissheit zu behaupten ist keine wissenschaftliche Aussage, sondern ein Problem von Medien, die das nicht klarstellen und so schreiben, als habe „die Wissenschaft entdeckt“.
Einst dachte man, die Erde sei das Zentrum des Universums; danach dachte man, die Sonne sei das Zentrum des Universums. Der nächste naheliegende Schritt dürfte sein, dass unser Universum nicht das Zentrum der Universen ist.
Wenn unser gesamtes beobachtbares Universum im Inneren eines Schwarzen Lochs entstanden ist, das in einem größeren „Eltern“-Universum entstanden ist, folgt daraus dann nicht, dass auch die Schwarzen Löcher in unserem Universum jenseits ihres Ereignishorizonts Universen in ihrem Inneren enthalten? Das müsste doch so sein, und es macht einen wirklich schwindelig.
https://en.wikipedia.org/wiki/White_hole#Big_Bang/Supermassi...
Empfehlung für leichte Hard-SF: Cosm (1999) von Gregory Benford. In einem Labor entsteht ein Universum von der Größe einer Bowlingkugel, und die Wissenschaftlerin, die es geschaffen hat, wird von Regierungsagenten verfolgt und versucht, es in Sicherheit zu bringen. Sie versucht, dieses Universum so lange wie möglich zu schützen, aber Zeit ist ebenso relativ wie Größe, also muss man nicht lange warten.