Martin Bojowald

Forget the Big Bang: Now it's
the Big Bounce

Titelseite des

SciAm, 10/2008.

Martin Bojowald (* 18. Februar 1973 in Jülich) ist ein deutscher theoretischer Physiker. Bojowald hat die von ihm weiterentwickelte Schleifenquantengravitation auf den kosmologischen Anfang angewandt, „um die ultimative Grenzfrage der Kosmologie zu lösen“, und zwar mit Hilfe der Mathematik.

Er vertritt die Theorie des Big Bounce, eines von der Urknall-Theorie abweichenden zyklischen Modells. Hierbei wird der Big Bang als ein Großer Rückprall (Big Bounce) interpretiert. Demnach hätte das Weltall weder Anfang noch Ende. Es war immer schon da. Ein sich unter dem Einfluss der Gravitation bis zu einer höchsten Dichte kontrahierendes Universum implodiert in einem Big Crunch (Kollaps), woraufhin es zu einem Big Bounce (großen Rückprall) kommt. Eine neue Expansionsphase beginnt, bis die Gravitation die Ausdehnung wieder stoppt und es zu einer erneuten Kontraktion kommt. Diese zyklischen Phasen: Kontraktion eines Vorgängeruniversums bis zum Big Crunch (Kollaps) – Rückprall (Big Bounce), Expansion eines Nachfolgeuniversums, Rekollaps ..., wiederholen sich nach diesem Modell in einem ewigen Kreislauf:

„Der Urknall wäre demnach die explosive Folge einer noch früheren Implosion, verursacht durch exotische Quanteneffekte.“

– Martin Bojowald: Spektrum der Wissenschaft, Mai 2009, S. 26-32.

Bojowald forscht über Gravitationsphysik und lehrt theoretische Physik am “Institute for Gravitation and the Cosmos” der Pennsylvania State University.

Leben

Martin Bojowald absolvierte 1992 sein Abitur am Stiftischen Gymnasium in Düren. Anschließend studierte er Physik an der Technischen Hochschule Aachen mit dem Diplom-Abschluss 1998 bei Hans A. Kastrup. Bei Kastrup wurde er im Jahr 2000 mit einer Dissertation über Quantum geometry and symmetry als Fellow des Deutsche-Forschungsgemeinschaft-Graduiertenkollegs Strong and electroweak interactions at high energies promoviert. Als Post-Doktorand arbeitete er von 2000 bis 2003 am Center for Gravitation and Geometry der Pennsylvania State University (Penn State) in den USA. Zwischen 2003 und 2005 war er Wissenschaftler (Junior Staff Scientist) am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam.

2006 wurde er Assistant Professor am Institut für Gravitation und Kosmologie (Institute for Gravitation and the Cosmos, IGC) der Pennsylvania State University bei Abhay Vasant Ashtekar, einem der Pioniere der Schleifen-Quantengravitation. Er ist dort seit 2009 als Associate Professor tätig.

Werk

Bojowald beschäftigt sich mit den Themen Schleifenquantengravitation (SQG, Loop Quantum Gravity) und physikalische Kosmologie. Bekannt wurde er für die Anwendung der SQG auf kosmologische Probleme:

„Aus der Quantenphysik wissen wir, dass Materie aus Atomen besteht. Die Schleifenquantengravitation, kurz Loop-Theorie, teilt auch den Raum und die Zeit in kleinste Einheiten auf, quasi in „Raumzeit-Atome“. Die sind so klein, dass man sie wohl niemals direkt beobachten kann. Wir reden von Schleifen, aber der Name ist nicht so wichtig. Wichtig ist, dass diese kleinsten Einheiten verhindern, dass das Universum im Urknall auf die Größe null schrumpft.“

– Max Rauner: Das umgekrempelte Universum. Interview mit Martin Bojowald. In: Die Zeit, 01/2009.

Er entwickelte im Rahmen der SQG eine Theorie, nach der das Universum auch vor dem Urknall schon existierte, der in den üblichen kosmologischen Modellen der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Singularität darstellt, an der die Beschreibung der Allgemeinen Relativitätstheorie an ihre Grenzen stößt. Wie in einem umgestülpten Luftballon, wären aber Raum- und Zeitrichtungen invertiert und man hätte es mit einem kontrahierenden Universum jenseits des Urknalls zu tun. Der durch die SQG hinzukommende neue Aspekt ist nach Bojowald ein repulsives Verhalten (Big Bounce) der Gravitation bei kleinen Abständen im Bereich der Planck-Dimensionen:

„Wie ein poröser Schwamm , der nur eine begrenzte Menge Wasser aufnehmen kann und in vollgesogenem Zustand Überschusswasser ausstößt, so wirkt das Zeitgitter abstoßend, sobald an einem Zeitpunkt zu viel Energie lokalisiert zu werden droht. […] Wegen der Kleinheit der Zeitschritte kann ein Zeitgittersehr viel Energie aufnehmen, aber nicht beliebig viel. Dies wird am Urknall bedeutend, dem höchst-energetischen Ereignis im Universum. […] Ein Überschuss an Energie kann nur verhindert werden, indem der Kollaps des Universums selbst, also die Ursache für den Energiezuwachs, gestoppt und in Expansion umgekehrt wird.“

– Martin Bojowald: Zurück vor den Urknall. Die ganze Geschichte des Universums. S. Fischer, Frankfurt am Main 2009, S. 137-138.

Im Rahmen seines Modells gab Bojowald auch eine neue Interpretation der Inflationstheorie des Universums.

Veröffentlichungen

• Absence of a Singularity in Loop Quantum Gravity. In: Physical Review Letters, Bd. 86, S. 5227–5230, 2001. PDF-Download möglich auf INSPIRE-HEP.
• Inflation from Quantum Geometry. In: Physical Review Letters, Bd. 89, S. 261301, 2002.
• Loop Quantum Cosmology.. In: Living Reviews in Relativity, 11, Article number: 4 (2008). (pdf-download möglich).
• Forget the Big Bang: Now it's the Big Bounce: New Theory on the Universe's Birth, in: Scientific American, Oktober 2008, S. 44-51: Follow the Bouncing Universe.
• Der Ur-Sprung des Alls. Spektrum der Wissenschaft, Mai 2009, S. 26–32. (PDF; 828 kB, 7 S.)
• Zurück vor den Urknall. Die ganze Geschichte des Universums. S. Fischer, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-10-003910-1, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche. (Rezension von Markus Pössel in: Spektrum SciLog, 24. September 2012).
• Canonical Gravity and Applications – Cosmology, Black Holes, and Quantum Gravity. Cambridge University Press 2010, ISBN 978-0-521-19575-1.
• Quantum Cosmology. A Fundamental Description of the Universe. Lecture Notes in Physics, Springer 2011, ISBN 978-1-4419-8276-6.
• The Universe: A View from Classical and Quantum Gravity. Wiley-VCH Verlag Berlin, 1. Auflage November 2012, ISBN 978-3-527-41018-7.
• Back to the beginning of quantum spacetime. In: Physics Today 66, März 2013. (PDF; 793 kB, 8 S.)

Auszeichnungen und Erwähnungen

• April 1995–Juni 1998: Studienstiftung des deutschen Volkes
• Porträt im Magazin Nature, Januar 2005
• Xanthopoulos Prize 2007 der International Society on General Relativity and Gravitation
• NSF Career Award 2008: "Effective Descriptions in Cosmology"
• Teaching Award 2009, Penn State Society of Physics Students

Weblinks

• Literatur von und über Martin Bojowald im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
• (englisch) Bibliographie Bojowalds Veröffentlichungen, auf Researchgate.
• (englisch) Martin Bojowald, Professor of Physics, auf der Webseite des PennState Eberly College of Science, dem Physik-Departement der Pennsylvania State University.
• Martin Bojowald (Video-Vortrag): War das was vor dem Urknall?. Auf: Faszination Astronomie Online, Haus der Astronomie, 4. August 2020.
• Johann Grolle: Eine Zeit vor unserer Welt. In: Der Spiegel 14/2009.
• Kim Hermann: Die Zeit ist mehr als nur eine Variable. Interview mit Martin Bojowald, in: Welt der Physik, 18. November 2020.
• Max Rauner: Das umgekrempelte Universum. Interview. In: Die Zeit 01/2009.
• (englisch) Quirin Schiermeier: The long-distance thinker. In: Nature Nr. 433, Januar 2005.
• Christopher Schrader und D. Schöneberg: Der Urknall war nicht der Anfang. Der Physiker Martin Bojowald hat in die Zeit vor dem Urknall geblickt - mit Hilfe der Mathematik. Ein Interview, in: Süddeutsche Zeitung, 17. Mai 2010.

• Lee Smolin: Schauspiel auf veränderlicher Bühne: Hintergrundunabhängigkeit und Quantengravitation. In: Einstein Online Band 01 (2005), 01-1132.
• Harald Zaun: Der Zeitpfeil vor dem Urknall. In: Telepolis, 27. Juni 2009.
  • Die Allgemeine Relativitätstheorie versagt an der Singularität!. Interview mit dem deutschen Astrophysiker Martin Bojowald über Raumzeitatome und den Anfang der Welt, den es nicht gegeben haben soll. In: Telepolis, 29. Juni 2009.
  • Die Ewigkeit vor dem Urknall. In Telepolis 9. April 2004.