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Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts. Die Theorie des inflationären Universums.

Aus dem Amerikanischen von Gerhard Ingold und Martina Sonntag. Droemer, München 1999. 544 Seiten, DM 58,–.


Alan Guth, Physiker am Massachusetts Institute of Technology, erzählt in diesem Buch die spannende Geschichte der modernen Kosmologie, von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie von 1916 bis in die jüngste Vergangenheit, die er selbst maßgeblich mitgestaltet hat.

Seine persönliche Geschichte der Kosmologie beginnt 1978, als er in einem Vortrag mit dem so genannten Flachheitsproblem konfrontiert wird (vergleiche Spektrum der Wissenschaft 3/1999, S. 38–61). Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie krümmt Masse durch ihre Gravitationswirkung den Raum. Die Entwicklung des Universums wird durch die Friedmannschen Gleichungen beschrieben. Für eine gewisse kritische Materiedichte ist das Universum lokal flach, das heißt ungekrümmt: Zwei Parallelen schneiden sich getreu der euklidischen Geometrie nur im Unendlichen. Wenn die Materiedichte kleiner oder größer ist als der kritische Wert, hat das Universum eine nicht-euklidische Geometrie: Zwei parallele Linien divergieren oder konvergieren. Im ersten Fall würde das Universum bis in alle Ewigkeit expandieren, im zweiten nach einer Phase maximaler Ausdehnung wieder in sich zusammenstürzen.

Nach den Friedmannschen Gleichungen wächst jede anfängliche Abweichung der mittleren Materiedichte vom kritischen Wert im Laufe der Zeit stark an. Da man jedoch aus Messungen der Expansionsgeschwindigkeit auf eine flache Geometrie des heutigen Universums schließen muss, könnte eine solche Abweichung in der Frühzeit des Alls nur extrem klein gewesen sein: 1:1015 eine Sekunde nach dem Urknall! Ein Anfangswert in einem derart schmalen Bereich ist zwar nicht im Widerspruch zur Theorie (diese macht darüber keine Aussage), jedoch äußerst unwahrscheinlich.

Mittlerweile ist dieses "fine-tuning"-Problem hinfällig geworden, und zwar durch die Theorie des inflationären Universums, die Guth Ende der siebziger Jahre vorschlug und seither maßgeblich mitentwickelt hat (Spektrum der Wissenschaft 7/1984, S. 80). Angefangen hat alles wie so oft aber ganz anders. Als gelernter Teilchenphysiker befasste sich Guth nicht mit der Kosmologie, sondern mit den Eigenschaften magnetischer Monopole, jener bis jetzt unbeobachteten Teilchen, die nur einen Magnetpol haben. Zusammen mit Henry Tye bestätigte er deren Existenz im Rahmen der damals diskutierten großen vereinheitlichten Feldtheorien und schätzte ihre Erzeugungsrate im frühen Universum ab.

Maßgeblich für diese Erzeugung sind in den vereinheitlichten Theorien die so genannten Higgs-Felder, die bei fortschreitender Abkühlung der kosmischen Suppe durch das Higgs-Potential in einen metastabilen Zustand gezwungen werden. Dieser Zustand, das so genannte falsche Vakuum, zerfällt schließlich in den Grundzustand, wobei die Symmetrie der Theorie, die bei hohen Temperaturen be-steht, spontan gebrochen wird. Die Ei-genschaften und die Lebensdauer des fal-schen Vakuumzustands verursachen eine exponentielle kosmologische Expansionsphase von begrenzter Dauer, die Inflation, der sich die vergleichsweise gemächliche Expansion nach der Standardtheorie des heißen Urknalls anschließt. Eine typische Inflationsphase führt stets zu einem extrem flachen Universum – das damit eine einleuchtende Erklärung gefunden hat. Diese Erkenntnis ist auch ohne den Zusammenhang zum Higgs-Feld bedeutsam und rechtfertigt die Einführung des Inflaton-Felds (des hypothetischen Verursachers der Inflation).

"Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts" stellt zunächst kosmologische und feldtheoretische Grundlagen bereit. Mit Anekdoten über die beteiligten Wissenschaftler und persönlichen Eindrücken aus dem Forschungsbetrieb gelingt Guth eine hinreichend aufgelockerte, zeitgemäße Darstellung dieses Standardstoffs, die durchaus eigene Berechtigung hat. Mit solchem Vorwissen ausgestattet fällt es dem Leser nicht schwer, Guth durch den zweiten Teil des Buches zu folgen, wo Eigenschaften der unterschiedlichen Inflationstheorien diskutiert werden. Einige spekulative Leckerbissen folgen, wie etwa die Frage, ob ein Universum prinzipiell auch im Labor hergestellt werden könnte.

Dabei verliert Guth nirgends aus dem Auge, dass theoretische Vorhersagen kosmologischer Natur durch Laborexperimente und astronomische Beobachtungen überprüfbar sein müssen. Er bezieht in die Darstellung ein, was es zur Strukturbildung im frühen Kosmos, zur Fluktuation der kosmischen Hintergrundstrahlung oder zum Zerfall des Protons zu sagen gibt. Wohltuenderweise verzichtet er auf jene oftmals peinlichen Ausflüge in philosophische Spekulationen über den eigenen Kompetenzbereich hinaus.

Personen und Ereignissen, die Guths wissenschaftliche Laufbahn begleiteten, widmet er durchweg breiten Raum; Subjektivitäten in der Auswahl sind unvermeidlich. So passt das Buch gut zu einer Reihe neuerer populärwissenschaftlicher Darstellungen, die nicht nur als sachliche, sondern auch als wissenschaftshistorische Quelle von Interesse sind.

Ein umfangreicher Anhang mit Literaturverzeichnis, Glossar und Stichwortverzeichnis sowie einer ausführlicheren Darstellung einiger für die Diskussion wesentlicher physikalischer Sachverhalte rundet das Werk ab. Die Auswahl der letzteren erscheint mir jedoch ziemlich willkürlich; auf Quantenmechanik und Chaostheorie nimmt der Text ohne eine entsprechende Einführung Bezug. An der Übersetzung und an diversen Grafiken ließe sich sicherlich noch einiges verbessern, und die Angabe von astronomischen Zahlenwerten im SI-System ist für Astronomen gewöhnungsbedürftig.

Ich empfehle "Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts" vor allem dem kosmologisch interessierten Laien, aber auch Physikern, die ihr Wissen über Kosmologie unterhaltsam aktualisieren wollen. Die Beschreibung ist aus erster Hand und sichert dem Buch einen guten Rang unter den populärwissenschaftlichen Darstellungen der Kosmologie.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2000, Seite 99
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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