Stationary Universe Model

Das Stationary Universe Model (SUM) wurde seit 2002 von dem Physiker Peter Ostermann auf Basis der originalen Gravitationsgleichungen Albert Einsteins als Alternative zum außerordentlich erfolgreichen Urknallmodell entwickelt (ohne kosmologische Konstante) und beim 12. Marcel Grossmann Meeting vorgestellt (MG12 2009 in Paris, zuvor bei der DPG-Frühjahrstagung 2007 Heidelberg, erste pre-prints bei arXiv.org). Gegenüber dem aufgrund exzellenter numerischer Bestätigungen seit langem vorherrschenden Standard-Modell (Konkordanzmodell) in Form der inflationären Lambda-CDM-Kosmologie stellt SUM auf Basis eines neuen Linienelements ein Konzept dar, das im Gegensatz zu der trotz übereinstimmender Motivation überholten Steady-State-Theorie mit aktuellen kosmologischen Beobachtungstatsachen grundsätzlich vereinbar scheint.

Das neue kosmologische Modell SUM eines stationären Hintergrund-Universums beinhaltet keine Expansion des Raums. Es geht aus von der physikalischen Tatsache, dass aus Nichts nichts entsteht. Das Weltall wird als eine insgesamt beständige Gegebenheit betrachtet und im Sinne des stationären – nicht aber statischen – Universums von unserem evolutionären Kosmos unterschieden.

Im Gegensatz zu SUM sollte das expandierende Universum der Steady-State-Theorie nur aufgrund ständiger 'Auffüllung' aus dem Nichts eine gleichbleibende Materiedichte aufweisen. Trotz gemeinsamer Voraussetzung des perfekten kosmologischen Prinzips unterscheidet sich das Model SUM außerdem mit statistisch konstanten Werten der Rotverschiebung kosmischer Strahlungsquellen fundamental von der Steady-State-Theorie. Die exakt abgeleiteten gleichbleibenden SUM-Rotverschiebungswerte entsprechen den nach Voraussetzung statistisch gleichbleibenden euklidischen Entfernungen in universalen Koordinaten, die aus historischen Gründen auch als mitbewegt bezeichnet werden (comoving coordinates). Nach einer zunächst rein mathematischen Ableitung einer stationären Hintergrundstrahlung mit Planck-Spektrum (ohne Zurückführung auf einen Urknall) wurde eine SUM-Vorgängerversion weiterentwickelt und zu Model of a Stationary Background Universe Behind Our Cosmos (2013) ausgebaut.

Das stationäre Linienelement

Im Unterschied zu statisch besagt stationär, dass ein Zustand insgesamt gleich bleibt, obwohl sich einzelne Bestandteile ständig verändern können. Dem Konzept SUM liegt, anders als bei der induktiven Entwicklung der Urknall-Kosmologie, ein deduktiver Ansatz zugrunde. Dabei genügen zwei Postulate, um das hier zugrundeliegende stationäre Linienelement abzuleiten:

• Postulat I – In Bezug auf hinreichend große Skalen ist das Universum stationär, homogen und isotrop;
• Postulat II – Abgesehen von lokalen Abweichungen ist die universale Lichtgeschwindigkeit c* = c .

Aus diesen beiden außerordentlich einfachen Postulaten ergibt sich das SUM-Linienelement dσ*_SUM eines räumlich flachen, nicht leeren Universums eindeutig zu

$\mathrm {d} \sigma _{\mathrm {SUM} }^{\ast }=\mathrm {\mathrm {e} } ^{Ht^{\ast }}\mathrm {d} \sigma _{\mathrm {SRT} }^{\ast }$ .

Hier steht H für eine wahre Hubble-Konstante (die im Unterschied zum zeitabhängigen konventionellen Hubble-Parameter H₀ der Urknall-Kosmologie als signifikant bezeichnet wird); die Abkürzung dσ*_SRT steht für das Linienelement der speziellen Relativitätstheorie, wobei das zusätzliche Symbol '$\,$*$\,$' bei jedem Auftreten auf die Besonderheit hinweist , dass sich die entsprechenden Größen auf universale Koordinaten beziehen (neben den 'mitbewegten Koordinaten' l$\,$* auch die 'konforme Zeit' t$\,$*). Gemäß SUM stimmen die universalen Koordinaten immer wieder vorübergehend überein mit den lokalen Eigenlängen und Eigenzeiten der speziellen Relativitätstheorie. Aus dem ausgeschriebenen Quadrat des Linienelements ist die Konstanz der universalen Lichtgeschwindigkeit mit c* ≡ dl$\,$*/dt * = c (für dσ*_SUM = 0) sofort ersichtlich. Das SUM-Linienelement hat weitere bemerkenswerte Eigenschaften.

Rotverschiebung und signifikante Hubble-Konstante

Die universale Rotverschiebung des Lichts entfernter Galaxien und anderer Strukturen wird im Rahmen von SUM nicht als Doppler-Effekt, sondern im Sinne einer erweiterten Einsteinschen Gravitationsrotverschiebung verstanden, woraus sich wie auch beim Experiment von Pound und Rebka keine Fluchtbewegung zwischen Quelle und Empfänger ergibt (bereits Edwin Hubble hatte eine solche Möglichkeit in Betracht gezogen). Der Unterschied zur gewöhnlichen gravitativen Rot- und Blauverschiebung liegt hier darin, dass es sich im Falle von SUM um ein zeitabhängiges Potential handelt, das sich aufgrund des Vorzeichens immer als Rotverschiebung auswirkt. Aus der allgemeinen Definition des Rotverschiebungsparameters z = λ$\,$_beobachtet / λ$\,$_ausgestrahlt – 1 ergeben sich bei SUM mit

$z_{\mathrm {SUM} }=\mathrm {e} ^{Hl^{\ast }/c}-1$

solche Werte, die mit der signifikanten Hubble-Konstante H unabhängig sind von der Zeit. Diese Werte gelten für Galaxien und alle kosmologischen Strukturen, die sich in Bezug auf universale Koordinaten (x*, y*, z*) nach Voraussetzung statistisch in Ruhe befinden (die Unabhängigkeit von der Zeit gilt auch für alle anderen Größen, die sich als Funktion der Rotverschiebung z schreiben lassen). Insbesondere bedeutet deren Zeitunabhängigkeit, dass zusätzlich zu den lokalen Eigenlängen der SRT nun auch den universalen Entfernungen

$l^{\ast }={\tfrac {c}{H}}\ln {(1+z)}$

wegen gleichbleibender Rotverschiebungen entsprechender Objekte eine reale, physikalisch messbare Bedeutung zukommt. Im Gegensatz zur Urknall-Theorie stellt die universale Entfernung l* im Rahmen von SUM also eine selbständige – obwohl indirekte – Messgröße dar.

Universale Zeit t$\,$* und die Grenzen von Eigenlänge und Eigenzeit

Wegen der exponentiellen Form des Zeitskalars e^{Ht *} hängen relative zeitliche Änderungen e^{Ht *}/ e^Hto* = e^{H(t *– to*)} allein ab von Differenzen Δ$\,$t * = t * – t₀*. Der gleiche Sachverhalt erlaubt es auch, für beliebige zusammenhängende Ereignisse (dies betrifft insbesondere auch Emission und spätere Absorption von Photonen) den universalen zeitlichen Anfangspunkt jeweils t₀* = 0 zu setzen. Im Unterschied zur jeweiligen lokalen Quasi-Eigenzeit t ' = T ' – T_H (mit der Hubble-Zeit T_H = 1/H) ist kein spezieller Punkt der universalen Zeitskala t$\,$* ausgezeichnet. Die universale Zeit hat weder Anfang noch Ende. Gemäß dem Linienelement der in begrenzten Bereichen überall und immer wieder lokal gültig bleibenden speziellen Relativitätstheorie (dσ²_SRT = c²dt$\,$²_SRT – dl$\,$²_SRT) sind die Intervalle von Eigenlänge und Eigenzeit stets miteinander gemeinsam definiert. Wie daraus mathematisch folgt, können die sich in Bezug auf das SUM-Linienelement ergebenden Näherungen

$\mathrm {d} t_{\mathrm {SRT} }$ ≈ $\mathrm {e} ^{Ht^{\ast }}\mathrm {d} t^{\ast }$ ,

$\mathrm {d} l_{\mathrm {SRT} }$ ≈ $\mathrm {e} ^{Ht^{\ast }}\mathrm {d} l^{\ast }$

nur innerhalb lokal begrenzter Bereiche

$l^{\ast }\ {\stackrel {!}{<}}\ R_{\mathrm {H} }$

des unendlichen euklidischen Raums (dl ² = dx$\,$² + dy$\,$² + dz$\,$²) jeweils vorübergehend Gültigkeit beanspruchen (R_H = c/H ist der Hubble-Radius). Gleiches gilt für alle SRT-Konzepte überhaupt. Bei uneingeschränkter Gleichheit in den obigen Näherungen aber würde das SUM-Linienelement in dasjenige der SRT übergehen, und der resultierende Einstein-Tensor würde unzulässigerweise verschwinden (was einer universalen Energiedichte Null und damit einem leeren Universum entspräche). Diese Zusammenhänge ergeben sich aus einer zweifachen Koordinatentransformation t * = ln$\,$(HT ')$\,$/$\,$H und l * = l '$\,$/$\,$(HT '), wobei T ' näherungsweise einer Eigenzeit entspricht, die nach obiger Ungleichung jeweils örtlich eingeschränkt ist.

Die FLRW-Form des SUM-Linienelements

Wird nur die universale Zeit t * gemäß der ersten der beiden oben angegebenen Formeln transformiert, so folgt das stationäre Linienelement in einer Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Form (FLRW-Form), und zwar mit dem einfachsten aller in Frage kommenden Skalenfaktoren a$\,$_SUM = HT ' zu

$\mathrm {d} \sigma _{\mathrm {SUM-FLRW} }^{\ast 2}=c^{2}\mathrm {d} T^{\,\prime \,2}-(HT^{\,\prime })^{2}\mathrm {d} l^{\ast 2}$ ,

ohne dass sich damit an den physikalischen Tatsachen etwas ändert. Es lässt sich z.B. leicht verifizieren, dass der zeitunabhängige SUM-Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung z und der universalen Entfernung l$\,$* auch gemäß dieser FLRW-Form bestehen bleibt. Es ist im Hinblick auf die gesamte SUM-Kosmologie von entscheidender Bedeutung, dass sich die auftretende 'Anfangs'-Singularität der örtlich eingeschränkten Quasi-Eigenzeit T ' = 0 nur auf lokale Bereiche bezieht und keineswegs ein Alter des gesamten Universums darstellt. Stattdessen bedeutet sie, wie oben gezeigt, eine jeweils auf l$\,$* < R_H eingeschränkte maximale Lebensdauer räumlich begrenzter evolutionärer Strukturen (in Bezug auf die universale Zeitkoordinate entspricht T ' = 0 dabei t * = –$\,$oo).

Energiedichte und negativer Gravitationsdruck

Die bei SUM offenbar der universalen Energiedichte entsprechende Komponente G₀₀ des kovarianten Einstein-Tensors ist zeitlich konstant. Demgegenüber scheint die gemischt ko- kontravariante Komponente G₀⁰, die bei Anwendung der Gravitationsgleichungen auf lokale perfekte Flüssigkeiten der phänomenologischen Energiedichte entspräche, abhängig von der universalen Zeit t$\,$*. Dass aber eine solche Abhängigkeit über beliebig große universale Zeiträume im Unterschied zu lokal begrenzten Eigenzeiten t unrealistisch wäre, folgt wieder aus der Tatsache, dass kein spezieller Anfangspunkt der Zeitskala t$\,$* existiert.

Aus dem SUM-Linienelement ergibt sich zu jedem willkürlich wählbaren universalen zeitlichen Anfangspunkt t₀* = 0 ein negativer Gravitationsdruck von –1/3 der kritischen Dichte, dessen Existenz hier sofort einleuchtet. Im Unterschied zu gewöhnlichen Teilchen in einem Kasten (die sich ohne dessen Wände aufgrund ihres positiven Drucks sofort zerstreuen) würden Galaxien innerhalb eines begrenzten Bereichs des stationären Universums ohne negativen Gravitationsdruck (verursacht vom Gravitationspotential der Materie und Energie außerhalb) zusammenklumpen, was in Bezug auf hinreichend große Skalen nach Voraussetzung nicht geschehen kann.

Vergleich mit den Supernova-Ia-Daten

Zur Erklärung der Supernova-Ia-Daten auf hinreichend großen universalen Skalen benötigt das Modell SUM keine 'dunkle Energie' und unterscheidet sich auch damit vom Lambda-CDM-Modell als dem Standardmodell der gegenwärtigen Kosmologie. Abweichungen im Bereich z < 0.1 werden hier auf einen lokalen Hubble-Kontrast zurückgeführt, wie er in entsprechender Größenordnung tatsächlich beobachtet wurde. Der universale SUM-Entfernungsmodul ergibt sich nach bewährter Vorgehensweise aus dem stationären Linienelement zu

$(m-M)_{\mathrm {SUM} }=5\log {[(1+z)\ln {(1+z)}}+25+5\log {({\tfrac {R_{\mathrm {H} }}{\mathrm {Mpc} }})}$ ,

wobei die Magnitude m ein Maß für die scheinbare Helligkeit, und M einen geeignet zu wählenden Wert für die absolute Helligkeit beispielsweise von Supernovae Typ Ia (SNe-Ia) als Standardkerzen darstellt. Das MG12-Dokument Indication from the Supernovae Ia Data of a Stationary Background Universe zeigt die unmittelbare Übereinstimmung des SUM-Entfernungsmoduls mit den Supernova-Daten für universale Rotverschiebungswerte z > 0.1 (erst oberhalb solcher, größenordnungsmäßig der Sloan Great Wall entsprechender Skalen kann das Universum als homogen und isotrop betrachtet werden). Darin geht aus einer Reihe systematisch aufeinanderfolgender Abbildungen auch hervor, warum zur Vermittlung zwischen den Voraussagen des erwarteten Einstein-de-Sitter-Modells und denjenigen der alten Steady-State-Theorie das Konzept einer die kosmologische Konstante repräsentierenden 'dunklen Energie' notwendig schien. Wird aber an den originalen Gravitationsgleichungen ohne kosmologische Konstante festgehalten, so hätten die SNe-Ia-Messungen das SUM-Linienelement offensichtlich bestätigt. Im Rahmen der entsprechenden Berechnungen ergibt sich aufgrund universaler Rotverschiebung und Zeitdilatation selbst bei unendlich vielen Sternen ein realistischer endlicher Wert für die Helligkeit des Nachthimmels, so dass das Olberssche Paradoxon auch ohne die Annahme eines Urknalls oder einer Expansion des Raums hier gelöst ist.

Mikrowellenhintergrundstrahlung und eine 'dunkle Materie'

Im Rahmen von SUM wird die Hintergrundstrahlung (CMB) zum Teil als Wärmestrahlung der 'dunklen Materie' gedeutet. Dieses Konzept könnte zwei fundamentale Probleme zugleich lösen: (a) es gibt keine makroskopische Materieverteilung ohne Temperatur und Wärmestrahlung; und (b) eine stationäre Hintergrundstrahlung muss innerhalb des Universums entstanden sein. In einer zunächst rein mathematischen Ableitung ist es gelungen, aus rotverschobenen Strahlungsanteilen ein perfektes Planck-Spektrum ohne Urknall abzuleiten. Bei einer statistisch mittleren universalen Temperatur scheinen die Inhomogenitäten dieser kalten Wärmestrahlung die offensichtlich vorhandenen akustischen Oszillationen der gesamten Materie widerzuspiegeln, die sich über astronomische Zeiträume auch hier durch das Wechselspiel von Gravitation und Strahlungsdruck ausgebildet hätten. Die Chance einer alternativen Erklärung der CMB-Anisotropien im Rahmen von SUM springt beim Vergleich verschiedener Abbildungen, beispielsweise Figure 14-e von N. A. Sharp mit Figure 7(b) von C. L. Bennett oder mit Figure 5 von R. Piffaretti nahezu ins Auge. Im Gegensatz zum Konzept eines ewigen unendlichen Universums selbst, scheint die vorläufige Erklärung des Planck-Spektrums im Rahmen von SUM mit Hilfe des Sunjajew-Seldowitsch-Effekts falsifizierbar. Dieser Effekt sollte sich mit zunehmender Entfernung abschwächen und ab Rotverschiebungswerten z >$\,$1 bis auf statistische Fluktuationen allmählich verschwinden. Bemerkenswerterweise enthalten die entsprechenden PLANCK-Kataloge tatsächlich ganz überwiegend Beobachtungen bis etwa zu dieser Grenze.

Alternative zum materiellen Beitrag der 'dunklen Energie'

Zusätzlich zu indirekt beobachteten oder durch Gravitationslinseneffekte gemessenen Inhomogenitäten sollte es im Rahmen von SUM einen annähernd homogen verteilten, optisch ebenfalls transparenten Beitrag einer dunklen Materie geben, der sich nicht durch solche Gravitationslinseneffekte nachweisen lässt. Dieser homogene Anteil, der im Lambda-CDM-Modell einer dunklen Energie zugeschrieben wird, könnte hier die Lücke schließen zwischen der insgesamt beobachteten Materie und der kritischen Dichte, die für ein flaches Modell ohne räumliche Krümmung notwendig ist. Gleichzeitig findet eine Expansion des Raums gemäß SUM nicht statt, so dass auch in dieser Beziehung wieder keine zusätzliche Energie für eine Beschleunigung erforderlich ist.

Andere Beobachtungstatsachen und offene Fragen

Zusätzlich zu den im Rahmen von SUM besonders einfach beschreibbaren kosmologischen Beobachtungstatsachen von universaler Rotverschiebung und den Supernova-Ia-Helligkeiten, die als zwei fundamentale Stützpfeiler der Urknall-Theorie gelten, scheinen auch weitere Sachverhalte – bisher allerdings nur ansatzweise – alternativ erklärbar.

• Nukleosynthese – In einem nach Voraussetzung stationären Universum ist der jeweilige Anteil aller materiellen Komponenten dadurch bestimmt, dass diese im Einklang mit den Gesetzen der Quantenmechanik in originären Prozessen wiederhergestellt werden, und zwar im gleichen Verhältnis, wie sie zuvor in Gravitationszentren extremer Stärke verschwunden sind. Das Urknall-Modell benutzt an keiner Stelle, dass es außerhalb des dort ins Auge gefassten Bereichs extremer Temperaturen und Dichten nicht weitere solcher Ereignisse (multi bangs) geben könnte. Es kann auch nicht ausgeschlossen werden, dass die Freisetzung von Materie in Form von Jets – mitsamt anschließender Bildung von Plasma-Blasen – für eine ständige Wiederherstellung primordialer Kerne und ihrer Bestandteile sorgen.

• Quasar-Verteilung (und ältere Galaxienformen in großen Entfernungen) – Seit in den 1960er Jahren festgestellt wurde, dass der Quasar 3C 273 kein naher Stern ist, sondern mit einer Rotverschiebung von z = 0,158 im Bereich ferner Galaxien liegt, wurden in späteren Beobachtungen diese hellen sternartigen Gebilde in sehr viel größeren Entfernungen erkannt. Quasare wurden inzwischen bis zu einer Rotverschiebung von mindestens z = 7,1 entdeckt, woraus folgt, dass sich die nächsten von ihnen aus heutiger Sicht in kosmischer Nachbarschaft befinden. Selbst eine endgültige Beobachtung, dass sich solche Quasistellaren Objekte tatsächlich nur in überdurchschnittlichen Entfernungen befänden, wäre eine Selbstverständlichkeit, wenn die Evolution unseres 'lokalen' evolutionären Kosmos in einem Multi-Bang-Ereignis – verträglich mit SUM – ihren Anfang genommen hätte; aus dem gleichen Grund könnten auch die meisten der sehr weit entfernten Galaxien tatsächlich jünger aussehen. Demgegenüber scheint die gemessene Häufigkeitsverteilung von Quasaren derzeit auf sehr großen Skalen ab z > 2-3 durch Selbstselektionseffekte wie dem so genannten Malmquist-Bias zunächst reduziert und dann begrenzt zu sein, wobei alle Objekte unterhalb einer schwachen Helligkeitsgrenze unberücksichtigt bleiben.

• Grundsätzliche SUM-Unterschiede zu einer Urknall-Entstehung aus dem Nichts – Obwohl diverse als Säulen der Urknall-Kosmologie bezeichnete fundamentale Beobachtungstatsachen numerisch glänzend bestätigt sind, bleiben doch wichtige Fragen. Ein falsches Vakuum von Quantenfluktuationen, wenn unser evolutionärer Kosmos daraus gemäß der Urknall-Theorie entstanden wäre, könnte insgesamt nicht ohne Energiedichte gewesen sein, so dass ein solches Tohu-va-bohu auch als universaler chaotischer Hintergrund der Beschreibung durch Einsteins Gravitationsgleichungen bedarf. Außer im Rahmen von SUM scheint eine Lösung nicht vorzuliegen. Hier aber tauchen solche und ähnliche Probleme der Konkordanzkosmologie gar nicht auf, oder sie erscheinen in einem anderen Licht.

• Einschränkung des Entropiesatzes auf evolutionäre Prozesse – Bei gravitativen Neuentstehungsprozessen, möglicherweise in supermassereichen Objekten wie aktiven Galaxienkernen (AGNs), Hypernovae oder Quellen von Gammablitzen, sollte die Entropie in lokalen Bereichen eines ewigen Universums zeitweilig abnehmen, damit sie insgesamt stationär bleiben kann. Dazu bedarf es einer Einschränkung des Gesetzes von der ständigen Zunahme der Entropie auf evolutionäre Prozesse, ohne dass dies einer von Lebewesen gemachten experimentellen Erfahrung jemals widersprechen könnte. Die Notwendigkeit einer vorübergehenden örtlich begrenzten Abnahme der Entropie ist unumgänglich für jedes stationäre Konzept überhaupt (ansonsten wäre ein lange diskutierter Wärmetod des Universums unvermeidlich). So unwahrscheinlich eine solche Einschränkung aber klingen mag, so ist sie physikalisch doch weniger unwahrscheinlich als eine Entstehung des gesamten Universums aus dem Nichts.

Zur Überwindung fundamentaler Fine-Tuning-Probleme der Urknall-Theorie, welche die Flachheit des Universums oder die Nicht-Existenz magnetischer Monopole oder dessen Horizont betreffen, wurde eine Phase kosmischer Inflation erdacht. Diese soll von einem skalaren Inflatonfeld getrieben worden sein, das allerdings niemals experimentell beobachtet worden ist. Auch die Tatsache der universalen Materie-Antimaterie-Asymmetrie ist im Rahmen der gegenwärtig vorherrschenden Kosmologie mit konkreter experimenteller Erfahrung nicht vereinbar. Ebenso wenig wäre gemäß der ursprünglichen Urknall-Theorie verständlich, dass es seit einer Entstehung aus dem Nichts überhaupt gleichbleibende Naturgesetze gibt, und nicht alles Geschehen bis heute nur vollkommen chaotisch abläuft. Irritierend ist dabei auch deren Berufung auf ein imperfektes Kosmologisches Prinzip, das aus der ansonsten universalen Symmetrie nur die Zeit willkürlich ausschließt. Das vielleicht größte aller Koinzidenz-Probleme besteht darin, dass die gewöhnlich als Alter des Universums bezeichnete Zeitspanne t₀ ausgerechnet heutzutage näherungsweise mit dem Kehrwert der konventionellen Hubble-Konstante 1/H₀ übereinstimmen soll. Denn das anthropische Prinzip betrifft gemäß SUM nicht das stationäre Universum selbst, sondern stattdessen die möglichen evolutionären Kosmen darin. Durch die inzwischen erfolgte Erweiterung des Urknall-Konzepts – von ursprünglich einem einzigen Big Bang-Universum über zusätzliche Paralleluniversen bis hin zu einem nun wieder allumfassenden Multiversum – scheint sich die Kosmologie schließlich auf das SUM-Konzept mit seiner natürlichen Unterscheidung des stationären Universums von evolutionären Multi-Bang- bzw. lokalen Quasi-Bang-Kosmen hinzuentwickeln (allerdings kann das Modell nicht innerhalb weniger Jahre den Stand der nahezu ausgereiften Konkordanzkosmologie erreicht haben, sondern befindet sich zum Teil noch in einer Anfangsphase; es versteht sich als Ermutigung und offene Aufgabe für diejenigen, die weiterhin versuchen, an der Möglichkeit einer relativistischen Lösung für ein stationäres Universum festzuhalten). Es ist im Zusammenhang mit vermeintlichem Alter und vermuteten Grenzen des Universums bemerkenswert, dass Vorstellungen darüber immer wieder erweitert wurden, seit Immanuel Kant in Sternnebeln zum Teil ferne Milchstraßen erkannte.

Historisches, SUM-Vorläufer, verschiedene verwandte Ansätze

Albert Einstein ist bei seiner Begründung der relativistischen Kosmologie von der Voraussetzung eines ewigen Universums ausgegangen. Dieser Versuch ist daran gescheitert, dass er eine rein statische Lösung gesucht hat, deren Linienelement – im Unterschied zu dem Linienelement Friedmanns wie auch zu demjenigen des stationären Ansatzes SUM – eine Zeitkoordinate in den entsprechenden Gravitationspotentialen g_ik nicht enthält. Dies galt auch für die ursprüngliche Form des De-Sitter-Modells, die sich aber durch bloße Koordinatentransformation in das Linienelement der späteren Steady-State-Theorie überführen ließ.

• Steady-State-Theorie: Unter dem Namen Steady-State-Theorie, die eine beständige Expansion beschreiben sollte, wurde im Jahr 1948 ein später (in unterschiedlichen Versionen) an Beobachtungstatsachen gescheitertes Modell des Universums präsentiert, das nach Auffassung seiner Autoren aufgrund ständiger Schöpfung aus dem Nichts als von gleichbleibender Materiedichte erfüllt anzusehen war. Erst in jüngster Zeit wurde bekannt, dass bereits Einstein das Konzept dieser Theorie im wesentlichen vorweggenommen und verworfen hat. Im Unterschied zu SUM wird hier eine ständige Schöpfung aus dem Nichts beschrieben, wobei sich ein von Fred Hoyle eingeführtes C-Feld als Vorläufer des Skalarfeldes des heutigen Inflationsmodells verstehen lässt. Die Rotverschiebungswerte jeweiliger Galaxien ergeben sich in der Steady-State-Theorie nicht statistisch konstant, sondern würden entsprechend den zitierten Titeln jener Arbeiten (mit ausdrücklichem Bezug auf ein expandierendes Universum) ständig zunehmen.

• Coasting Cosmology: Ein Modell mit allgemeinerer als der oben angegebenen FLRW-Form des SUM-Linienelements – jedoch mit Skalenfaktor HT – wurde seinerzeit unter dem Aspekt einer gleitenden Expansion des Universums diskutiert, bevor 2011 (und später) ein eng damit verwandtes Konzept noch einmal im Kontext der Urknall-Kosmologie behandelt wurde. Beide unterscheiden sich grundsätzlich von SUM (die fundamentale Konsequenz gleichbleibender Rotverschiebungswerte von Quellen in gleichbleibenden universalen Entfernungen wurde nicht erwähnt).

• Chaotic Inflation: Der Physiker Andrei Linde hat das Konzept einer chaotischen Inflation entwickelt und dabei die theoretische Fixierung auf einen einzigen Urknall aus dem Nichts effektiv aufgehoben. Andererseits wird dort von Parallel-Universen gesprochen, wovon jedes mit eigener Inflation und gegebenenfalls eigenen Naturgesetzen entstanden sei. Zu den Grundvoraussetzungen von SUM – viele kosmische Bereiche in einem einzigen Universum mit überall gleichen Naturgesetzen – steht das in klarem Widerspruch. In diesem Zusammenhang (obwohl in völlig anderem mathematischen Kontext) ist auch der Begriff 'Stationary Universe Model' erstmalig aufgetaucht.

Hinsichtlich eines ewig im Wandel befindlichen Universums hat es offenbar schon immer entsprechende Vorstellungen gegeben. Diese scheinen verwandt zum Kreislauf von Werden und Vergehen in östlichen Religionen. Nach Auffassung Epikurs existieren in einem unendlich großen Raum eine unendliche Anzahl von Welten. Darüber wurde von Lukrez in Über die Natur der Dinge berichtet. Gemäß Rhazes sollen – im Sinne zeitloser Naturgesetze – eine ewige Materie aus Atomen, eine absolute und ewige (im Unterschied zur 'geschaffenen' Welt aber relative) Zeit sowie ein absoluter und ewiger (im Unterschied zur 'geschaffenen' Welt aber relativer) Raum unveränderlich vorgegeben sein. Ähnliche Konzepte von Raum und Zeit finden sich später bei Newton. Nikolaus von Kues hat sich eine Vielheit von Welten in einem einzigen unbegrenzten Universum gedacht. Die im Sinne moderner Naturwissenschaft neubelebte Vorstellung eines ewigen unendlichen Universums aber existiert spätestens seit Thomas Digges. Sein Zeitgenosse Giordano Bruno verteidigte die Idee vieler Welten, wie insbesondere aus seiner Schrift Über die Unendlichkeit, das Universum und die Welten von 1584 hervorgeht (der Wortwahl dieses Titels entspricht auch die SUM-Unterscheidung von Universum und Kosmen). Er hatte dabei die Vorstellung, dass das ewige unendliche Universum von demselben göttlichen Puls durchwirkt sei. Sein Denken wurde von den genannten Vorgängern beeinflusst. Im Rahmen von SUM wurde nun gezeigt, dass sich entsprechende Konzepte nicht nur mit Einsteins Gleichungen vereinbaren lassen, sondern sich aus diesen zu ergeben scheinen. Einerseits wird zwar dieses neue Modell von der Mainstream-Kosmologie bisher kaum wahrgenommen, doch andererseits scheint das aktuelle Konkordanzmodell mit seiner teilweise hochspekulativen (durch keine experimentelle Erfahrung konkret begründeten, aber dort unverzichtbaren) Inflationsphase bei nicht wenigen Menschen auf zunehmende Skepsis zu stoßen.

Zur Vereinbarkeit von Relativitätstheorie und Quantenmechanik

In Geometrie und Erfahrung hat Albert Einstein sechs Jahre nach Vollendung der allgemeinen Relativitätstheorie zwei mögliche Deutungen einander gegenübergestellt und dabei Poincarés Auffassung der nichteuklidischen Geometrie grundsätzlich anerkannt ("Sub specie aeterni hat Poincaré mit dieser Auffassung nach meiner Meinung Recht"). Demzufolge ist es möglich, die nichteuklidische Geometrie der allgemeinen Relativitätstheorie nicht Raum und Zeit selbst, sondern gravitativ beeinflussten Maßstäben, Uhren und allen anderen realen physikalischen Objekten zuzuschreiben und ansonsten die euklidische Geometrie zur vollständigen Beschreibung des Naturgeschehens beizubehalten. Das gelingt mit Hilfe einer von Nathan Rosen formulierten bimetrischen Relativitätstheorie (bi-metric relativity). Eine solche Möglichkeit würde andererseits auch erklären, warum es bisher trotz großer Anstrengungen (Stringtheorie, Schleifenquantengravitation) nicht überzeugend gelungen scheint, die Raumzeit zu quantisieren und so die in herkömmlichem Sinne verstandene Relativitätstheorie grundsätzlich mit der Quantenmechanik in einer einheitlichen Theorie von Gravitation und Quantenmechanik zu vereinbaren. Gemäß SUM-Ansatz aber scheint eine Vereinheitlichung prinzipiell möglich, um künftig gültige Aussagen zu andernfalls bloßen mathematischen Singularitäten der allgemeinen Relativitätstheorie überhaupt machen zu können, oder wenigstens Fehldeutungen zu verhindern. Dies betrifft neben der Theorie schwarzer Löcher auch die Singularitätstheoreme von Hawking und Penrose, bei denen in Ermangelung einer konsistenten Theorie die tatsächliche Quantenstruktur der Materie bisher außer acht bleiben musste.

Literatur

• Peter Ostermann, "SUM – Model of a Stationary Background Universe Behind Our Cosmos", digIT Verlag, 2014, ISBN 978-3-941550-25-4.
• Steven Weinberg, "Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity", Wiley, New York 1972, ISBN 0471925675.
• Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge, and Jayant V. Narlikar, "A Different Approach to Cosmology", Cambridge University Press, 2000, ISBN 0-521-66223-0.
• Collected Papers of Albert Einstein (CPAE) – Einstein Papers Project

Einzelnachweise

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