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Die Quintessenz des Universums

Das All wird von einem unsichtbaren Energiefeld beherrscht, das die kosmische Expansion beschleunigt. Diese "dunkle Energie" könnte von einem exotischen Quantenfeld herrühren, das im Laufe der Zeit seinen Wert geändert hat und dem All eine ungewisse Zukunft beschert.


Ist alles geklärt? Haben wir den Kosmos verstanden, abgesehen von ein paar kleinen Details? Noch vor einigen Jahren sah es fast so aus. Nach einem Jahrhundert hitziger Debatten hatten die Wissenschaftler einen breiten Konsens über die grundsätzliche Geschichte unseres Universums erreicht. Demnach begann das All mit Gas und Strahlung von unvorstellbar hoher Temperatur und Dichte; seit 15 Milliarden Jahren dehnt es sich aus und kühlt dabei ab. Galaxien und andere komplexe Strukturen sind aus mikroskopisch kleinen Keimen – Quantenfluktuationen – entstanden, die während einer kurzen Phase der "Inflation" auf kosmische Größe aufgebläht wurden.

Wir wissen auch, dass nur ein kleiner Bruchteil der Materie aus den üblichen chemischen Elementen zusammengesetzt ist, die wir aus unserem täglichen Leben kennen. Der Großteil besteht aus so genannter dunkler Materie – hauptsächlich exotischen Elementarteilchen, die mit Licht keine Wechselwirkung haben. Zwar blieben viele Rätsel übrig, aber im Großen und Ganzen schien dieses Bild zu stimmen.

Das dachten wir jedenfalls. Nun stellt sich heraus, dass wir den größten Teil der Geschichte übersehen haben. In den letzten fünf Jahren wurden die Kosmologen durch neue Beobachtungen überzeugt, dass die chemischen Elemente und die dunkle Materie zusammen weniger als die Hälfte des Universums ausmachen. Das meiste ist eine allgegenwärtige "dunkle Energie" mit einer höchst seltsamen Eigenschaft: Ihre Gravitation wirkt nicht anziehend, sondern abstoßend. Während die Schwerkraft die chemischen Elemente und die dunkle Materie zu Sternen und Galaxien zusammenzieht, verteilt sie die dunkle Energie durch Abstoßung zu einem fast gleichmäßigen Nebel, der den Weltraum erfüllt. Das Universum ist ein Schlachtfeld zweier Kräfte, und die abstoßende Gravitation gewinnt die Oberhand. Sie überwältigt allmählich die anziehende Kraft der gewöhnlichen Materie und bewirkt, dass die Expansion des Universums sich immer mehr beschleunigt. Vielleicht führt dies zu einer erneuten ungehemmten Inflationsphase und zu einer völlig anderen Zukunft des Universums, als die meisten Kosmologen noch vor einem Jahrzehnt dachten.

Bis vor kurzem haben die Kosmologen sich bloß darauf konzentriert, die Existenz der dunklen Energie nachzuweisen. Nachdem sie das mit überzeugenden Argumenten getan haben, wenden sie ihre Aufmerksamkeit nun einem tieferen Problem zu: Wo kommt sie her? Die nächstliegende Möglichkeit ist, dass die dunkle Energie zur Struktur des Raumes gehört. Selbst ein völlig leeres Raumvolumen – ohne jegliche Materie und Strahlung – würde diese Energie enthalten. Das ist eine alte Idee, die noch von Albert Einstein und seinem Versuch aus dem Jahre 1917 stammt, ein statisches Modell des Universums zu konstruieren.

Wie sein Vorgänger Newton und viele andere führende Wissenschaftler glaubte auch Einstein, das Universum sei unveränderlich; weder ziehe es sich zusammen noch dehne es sich aus. Um seiner Allgemeinen Relativitätstheorie diesen Stillstand abzugewinnen, musste er eine Vakuumenergie einführen oder, in seiner Terminologie, eine kosmologische Konstante. Er setzte den Wert der Konstante so fest, dass ihre gravitative Abstoßung die Gravitationsanziehung der Materie genau kompensiert.

Als die Astronomen bald darauf feststellten, dass das Universum expandiert, bedauerte Einstein seinen Kunstgriff und bezeichnete ihn als den größten Schnitzer seines Lebens. Aber vielleicht war dieses Urteil voreilig. Falls die kosmologische Konstante einen etwas größeren Wert hat als von Einstein vorgeschlagen, überwiegt ihre Abstoßung die Anziehung der Materie, und die kosmische Expansion wird beschleunigt.

Doch manche Kosmologen verfolgen nun eine andere Idee namens Quintessenz. Der Begriff stammt aus der Naturphilosophie der Antike und bezeichnet auf lateinisch eine "fünfte Substanz", die zusätzlich zu den vier Elementen der alten Griechen – Erde, Wasser Luft und Feuer – das Universum erfüllen und verhindern soll, dass der Mond und die Planeten zum Mittelpunkt der Himmelsphäre fallen. Vor drei Jahren wählten Robert R. Caldwell, Rahul Dave und einer von uns (Steinhardt), damals alle an der Universität von Pennsylvania, diesen Begriff als Namen für ein Quantenkraftfeld, das ein wenig einem elektrischen oder magnetischen Feld ähnelt und gravitativ abstoßend wirkt.

Was die Quintessenz für Kosmologen so attraktiv macht, ist ihre Dynamik. Das größte Problem für jede Theorie der dunklen Energie ist, deren exakten Betrag zu erklären – einerseits nicht so viel, dass die Bildung von Sternen und Galaxien im frühen Universum beeinträchtigt würde, aber andererseits gerade so viel, dass die Wirkung gegenwärtig eine Rolle spielt. Vakuumenergie ist völlig träge; sie behält für alle Zeit dieselbe Dichte. Um den heutigen Betrag der dunklen Energie zu erklären, müsste darum der Wert der kosmologischen Konstante schon bei der Entstehung des Universums exakt auf den passenden Wert abgestimmt worden sein – und so etwas sieht verdächtig nach Pfusch aus. Hingegen tritt die Quintessenz mit Materie in Wechselwirkung und entwickelt sich im Laufe der Zeit; dadurch könnte sie auf natürliche Weise den heute beobachteten Wert erreicht haben.

Das fünfte Element

Die Entscheidung zwischen diesen beiden Möglichkeiten ist für die Physik sehr wichtig. Bisher sind die Teilchenphysiker auf Hochenergiebeschleuniger angewiesen, um neue Formen von Energie und Materie zu entdecken. Nun offenbart uns der Kosmos eine völlig neuartige Energie – viel zu dünn verteilt und viel zu schwach wechselwirkend für irdische Teilchenbeschleuniger. Ob diese Energie träge oder dynamisch ist, könnte für die Entwicklung einer fundamentalen Theorie der Natur entscheidend sein. Die Teilchenphysiker entdecken allmählich, dass astronomische Daten für sie genau so wichtig sind wie Beschleunigerexperimente.

Seit fast zehn Jahren werden immer mehr Argumente für die dunkle Energie gesammelt. Der erste Schritt war eine sorgfältige Abschätzung der gesamten Materie in Galaxien und Galaxienhaufen auf Grund von Messungen im optischen, Röntgen- und Radiobereich. Das Ergebnis war eindeutig: Die Gesamtmasse an chemischen Elementen und dunkler Materie ergibt zusammen nur etwa ein Drittel des von den meisten Theoretikern erwarteten Betrags – der so genannten kritischen Dichte.

Viele Kosmologen schlossen daraus, die Theoretiker hätten Unrecht. In diesem Fall würden wir in einem ständig expandierenden Universum leben, in dem der Raum hyperbolisch gekrümmt ist, ähnlich wie der Trichter einer Trompete (siehe "Was vor dem Urknall geschah" von Martin A. Bucher und David N. Spergel, Spektrum der Wissenschaft 3/1999, S. 54). Doch diese Erklärung wurde durch das Vermessen warmer und kalter Stellen in der kosmischen Hintergrundstrahlung widerlegt: Wie deren Verteilung zeigt, ist der Raum flach, und die Gesamtenergiedichte entspricht der kritischen Dichte. Angesichts beider Beobachtungen drängt sich die Notwendigkeit einer zusätzlichen Energiekomponente auf, die für die fehlenden zwei Drittel der Energiedichte aufkommt.

Woraus die neue Komponente auch immer besteht, sie muss dunkel sein – das heißt Licht weder absorbieren noch emittieren –, sonst wäre sie schon längst bemerkt worden. Insofern ähnelt sie dunkler Materie. Aber die neue Komponente – die dunkle Energie – unterscheidet sich von dunkler Materie in einem wichtigen Punkt: Ihre Gravitation muss abstoßend sein. Andernfalls würde sie in Galaxien und Haufen hineingezogen, wo sie die Bewegung der sichtbaren Materie beeinflussen müsste; doch ein solcher Einfluss ist nicht zu beobachten. Außerdem löst die Gravitationsabstoßung das "Altersproblem", das den Kosmologen in den neunziger Jahren zu schaffen machte.

Wenn man die derzeitigen Messungen der Expansionsrate betrachtet und annimmt, dass die Expansion sich mit der Zeit verlangsamt, ergibt sich ein Alter des Universums von weniger als zwölf Milliarden Jahren.

Doch einige Sterne in unserer Milchstraße sind offenbar 15 Milliarden Jahre alt. Indem die Abstoßung die Expansionsrate des Universums beschleunigt, bringt sie das Alter des Kosmos in Einklang mit dem beobachteten Alter der Himmelskörper (siehe "Neuer Auftrieb für ein beschleunigtes Universum" von Lawrence M. Krauss, Spektrum der Wissenschaft 3/1999, S. 46).

Von der Implosion zur Explosion

Der Haken an diesem Argument war freilich, dass die Gravitationsabstoßung die Expansion beschleunigen müsste – und so etwas wurde lange Zeit nicht beobachtet. Doch 1998 passte endlich alles zusammen: Zwei unabhängige Forschergruppen konnten bei Messungen an weit entfernten Supernovae eine Änderung der Expansionsrate nachweisen. Beide Gruppen schlossen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, und zwar genau um den vorhergesagten Betrag (siehe "Die Vermessung der Raumzeit mit Supernovae" von Craig J. Hogan et al., Spektrum der Wissenschaft 3/1999, S. 40).

All diese Beobachtungen lassen sich auf drei Zahlen reduzieren: die mittlere Dichte der Materie (sowohl der normalen und der dunklen), die mittlere Dichte der dunklen Energie und die Krümmung des Raumes. Nach Einsteins Gleichungen ergeben diese drei Zahlen zusammen die kritische Dichte. Die verschiedenen möglichen Kombinationen lassen sich prägnant in einem Dreiecksdiagramm darstellen (Abbildung auf Seite 33). Die drei unterschiedlichen Datenmengen – Massenabschätzung, kosmische Hintergrundstrahlung und Supernovae – ergeben Streifen innerhalb des Dreiecks. Tatsächlich überlappen sich die drei Streifen an derselben Stelle; das liefert ein überzeugendes Argument für die dunkle Energie.

Da wir aus unserer täglichen Erfahrung nur gewöhnliche Materie kennen, deren Gravitation anziehend wirkt, können wir uns kaum vorstellen, wie dunkle Energie gravitativ abstoßend zu wirken vermag. Entscheidend ist, dass ihr Druck negativ ist. In Newtons Gravitationsgesetz spielt der Druck keine Rolle; die Stärke der Schwerkraft hängt nur von der Masse ab. In Einsteins Gravitationsgesetz jedoch hängt sie nicht nur von der Masse ab, sondern auch von anderen Energieformen sowie vom Druck. Auf diese Weise wirkt der Druck zweifach: direkt durch die Wirkung des Drucks auf das umgebende Material sowie indirekt durch die vom Druck erzeugte Gravitation.

Das Vorzeichen der Gravitationskraft wird durch eine algebraische Kombination aus der Gesamtenergiedichte und dem Dreifachen des Drucks bestimmt. Wenn der Druck positiv ist – wie bei Strahlung, gewöhnlicher Materie und dunkler Materie –, dann ist auch die Kombination positiv und die Gravitation anziehend. Ist der Druck genügend negativ, dann wird die resultierende Größe negativ und die Gravitation abstoßend. Genauer gesagt betrachten die Kosmologen die so genannte Zustandsgleichung, die das Verhältnis w von Druck zu Energiedichte ausdrückt. Für ein normales Gas ist w positiv und proportional zur Temperatur. Aber in bestimmten Systemen kann w negativ sein. Wenn es kleiner als –1/3 wird, wirkt die Gravitation abstoßend.

Die Vakuumenergie – sofern ihre Dichte positiv ist – erfüllt diese Bedingung. Das folgt aus dem Prinzip der Energieerhaltung, demzufolge Energie nicht vernichtet werden kann. Mathematisch lässt sich dieses Gesetz so umformulieren, dass die Änderungsrate der Energiedichte proportional zu w+1 ist. Für die Vakuumenergie – deren Dichte sich per Definition nie ändert – muss diese Summe stets null sein. Mit anderen Worten, w muss genau gleich –1 und somit der Druck negativ sein.

Was aber bedeutet negativer Druck? Die meisten Gase üben positiven Druck aus: Die kinetische Energie der Atome und die Strahlung drücken auswärts auf den Behälter. Man beachte: Die direkte Wirkung des positiven Drucks – nach außen zu drücken – steht im Gegensatz zu seiner Gravitationswirkung – dem Zug nach innen. Aber man kann sich eine Wechselwirkung unter den Atomen vorstellen, welche die kinetische Energie überwiegt und eine Implosion des Gases verursacht. Das implosive Gas hat negativen Druck. Ein mit diesem Gas gefüllter Ballon würde kollabieren, denn der Außendruck – der null oder positiv ist – würde den negativen Innendruck überwiegen. Seltsamerweise kann nun der direkte Effekt des negativen Drucks, die Implosion, im Gegensatz zu seinem abstoßenden Gravitationseffekt stehen.

Abstoßende Schwerkraft

Bei einem Ballon fällt die Wirkung der Schwerkraft kaum ins Gewicht. Doch angenommen, der gesamte Raum ist von dem implosiven Gas erfüllt. Dann gibt es keine äußere Grenzfläche mehr und keinen Außendruck. Das Gas erzeugt noch immer negativen Druck, aber es hat nichts, wogegen es drücken könnte; also übt es keine direkte Wirkung aus. Nur die Gravitationswirkung bleibt übrig – und die ist abstoßend. Die Abstoßung dehnt den Raum aus, vergrößert sein Volumen und demzufolge – auf Kosten des Gravitationsfeldes – den Betrag der Vakuumenergie. Die Tendenz zur Ausdehnung wirkt deshalb selbstverstärkend. Das Universum dehnt sich mit zunehmender Geschwindigkeit aus.

Diese Vorstellung mag seltsam erscheinen, und sogar Einstein sträubte sich dagegen. Er betrachtete das statische Universum, den ursprünglichen Beweggrund für die Einführung der Vakuumenergie, alsbald als unglückliche Fehlkonzeption. Aber nachdem die kosmologische Konstante einmal eingeführt war, verschwand sie nicht so leicht von der Bildfläche. Die Theoretiker erkannten bald, dass Quantenfelder eine bestimmte Menge an Vakuumenergie besitzen; dies ist eine Auswirkung der Quantenfluktuationen, die kurzzeitig Paare virtueller Teilchen aus dem Nichts entstehen lassen. Eine Abschätzung der von allen bekannten Feldern insgesamt erzeugten Vakuumenergie ergibt einen riesigen Betrag: 120 Größenordnungen mehr als die Energiedichte der gesamten Materie. Dies bedeutet, obwohl man es sich kaum vorzustellen vermag, dass die flüchtigen virtuellen Teilchen eine positive, konstante Energiedichte liefern – und das würde negativen Druck bedeuten. Wenn diese Schätzung zuträfe, würde eine ungeheure Beschleunigung Atome, Sterne und Galaxien auseinander reißen. Offensichtlich ist diese Schätzung falsch. Eines der Hauptziele der Theorien der Quantengravitation ist herauszufinden, warum.

Einem Vorschlag zufolge bewirkt eine bisher unentdeckte Symmetrie in den physikalischen Grundgesetzen, dass die großen Effekte einander exakt aufheben und die Vakuumenergie auf null bringen. Zum Beispiel liefern Quantenfluktuationen von virtuellen Teilchen mit halbzahligem Spin – wie Quarks und Elektronen – positive Energie, während Teilchen mit ganzzahligem Spin, etwa Photonen, negative Energie beitragen. In der Standardtheorie hebt sich beides nicht exakt auf und lässt eine unakzeptabel hohe Energiedichte übrig. Doch die Physiker erproben derzeit Theorien mit so genannter Supersymmetrie; diese Beziehung zwischen den beiden Teilchensorten kann zu einer exakten Aufhebung führen. Der große Nachteil dabei ist jedoch, dass die Supersymmetrie nur bei sehr hohen Energien gilt. Theoretiker suchen nun die perfekte Aufhebung auch bei geringeren Energien zu erhalten.

Ein anderer Gedanke besagt, dass die Vakuumenergie doch nicht exakt aufgehoben wird. Vielleicht hebt ein etwas unvollkommener Ausgleichsmechanismus die kosmologische Konstante nur auf 120 Dezimalstellen genau auf. Dann könnte die Vakuumenergie die fehlenden zwei Drittel des Universums bilden. Doch das erscheint bizarr. Welcher Mechanismus könnte überhaupt mit solcher Genauigkeit funktionieren? Obgleich die dunkle Energie einer riesigen Gesamtmasse entspricht, ist sie so fein verteilt, dass ihre Energiedichte kaum vier Elektronenvolt pro Kubikmillimeter beträgt – für einen Teilchenphysiker unvorstellbar wenig. Die schwächste bekannte Naturkraft hat eine 1050-mal größere Energiedichte.

Wird die Vakuumenergie in die Vergangenheit zurück extrapoliert, so erscheint sie noch paradoxer. Heutzutage haben Materie und dunkle Energie vergleichbare mittlere Dichten. Aber als sie vor Milliarden von Jahren entstanden, hatte unser Universum die Größe einer Grapefruit, und die Materie war 100 Größenordnungen dichter. Doch die kosmologische Konstante hätte denselben Wert gehabt wie heute. Mit anderen Worten, pro 10100 Teile Materie hätten physikalische Prozesse ein Teil Vakuumenergie erzeugt – ein Grad an Genauigkeit, der im mathematischen Idealfall denkbar wäre, aber in der realen Welt absurd anmutet.

Diese Notwendigkeit einer fast übernatürlichen Feinabstimmung ist der prinzipielle Grund dafür, Alternativen zur kosmologischen Konstante zu betrachten. Glücklicherweise lässt sich nicht nur mit Vakuumenergie negativer Druck erzeugen. Eine andere Möglichkeit ist die bereits erwähnte Quintessenz, eine – im Gegensatz zur Vakuumenergie – räumlich und zeitlich variable Energiequelle. Für sie hat w keinen festen Wert; er muss nur unter –1/3 liegen, damit die Gravitation abstoßend wird.

Quanten-Quintessenz

Die Quintessenz kann viele Formen annehmen. Die einfachsten Modelle gehen von einem Quantenfeld aus, dessen Energie so langsam variiert, dass es auf den ersten Blick wie eine konstante Vakuumenergie aussieht. Diese Idee wurde aus der inflationären Kosmologie entliehen, in der ein so genanntes Inflaton-Feld die Expansion im sehr frühen Universum über denselben Mechanismus antreibt. Der Hauptunterschied ist, dass die Quintessenz viel schwächer als die Inflation ist. Diese Hypothese haben zum ersten Mal vor einem Jahrzehnt Christoph Wetterich von der Universität Heidelberg und Bharat Ratra, der jetzt an der Kansas State University tätig ist, sowie P. James E. Peebles von der Princeton University untersucht.

In der Quantentheorie lassen sich physikalische Prozesse entweder durch Felder oder Teilchen beschreiben. Aber weil die Quintessenz so winzige Energiedichte hat und nur so schwach variiert, wäre ein Quintessenz-Teilchen einerseits unvorstellbar massearm, andererseits so riesig wie ein Galaxien-Superhaufen. Darum eignet sich die Beschreibung als Feld viel besser. Begrifflich ist ein Feld eine kontinuierliche Energieverteilung, die jedem Raumpunkt einen Zahlenwert zuordnet, die so genannte Feldstärke. Die im Feld enthaltene Energie hat eine kinetische Komponente, die von der zeitlichen Änderung der Feldstärke abhängt, und eine potenzielle, nur vom Wert der Feldstärke abhängende Komponente. Wenn das Feld sich ändert, verschiebt sich das Verhältnis von kinetischer und potenzieller Energie.

Im Falle der Vakuumenergie ist der negative Druck wie erwähnt das direkte Resultat der Energieerhaltung; sie besagt, dass jede Änderung der Energiedichte proportional zur Summe von – positiver – Energiedichte und Druck ist. Für die Vakuumenergie beträgt die Änderung null, also muss der Druck einen negativen Wert haben. Für die Quintessenz ist die Änderung so langsam, dass der Druck ebenfalls negativ sein muss, wenn auch etwas weniger. Diese Bedingung bedeutet, dass mehr potenzielle als kinetische Energie vorhanden ist.

Weil der Druck der Quintessenz etwas weniger negativ ist, beschleunigt sie die Expansion des Universums nicht so stark wie die Vakuumenergie. Dieser Unterschied ist prinzipiell beobachtbar. Zwar lässt sich die Quintessenz etwas besser mit den heute verfügbaren Daten vereinen, aber vorläufig ist der Unterschied statistisch nicht signifikant. Ein weiterer Unterschied gegenüber der Vakuumenergie ist, dass das Quintessenz-Feld alle möglichen komplizierten Entwicklungen durchmachen könnte. Der Wert von w kann einmal positiv, dann negativ und danach wieder positiv sein. Er kann auch von Ort zu Ort variieren. Diese vermutlich sehr geringe Ungleichmäßigkeit ist vielleicht in der kosmischen Hintergrundstrahlung nachzuweisen.

Außerdem kann die Quintessenz gestört werden: Wellen können sich durch sie hindurch fortpflanzen wie Schallwellen durch Luft. Im Fachjargon sagt man, die Quintessenz sei "weich". Hingegen ist Einsteins kosmologische Konstante fest: Sie lässt sich nicht verändern. Das wirft eine interessante Frage auf. Jede bekannte Energieform ist bis zu einem gewissen Grade weich. Vielleicht ist Festigkeit eine Idealisierung, die es in der Wirklichkeit nicht gibt. In diesem Falle wäre die kosmologische Konstante ein Ding der Unmöglichkeit, und die Quintessenz mit einem w nahe bei –1 wäre die vernünftigste Näherung.

Die Quintessenz als Feld zu beschreiben ist nur ein erster Schritt. Woher kommt ein derart seltsames Feld? Die Teilchenphysiker vermögen vom Aufbau der Atome bis zum Ursprung der Materie alles Mögliche zu erklären, aber die Quintessenz ist eine Art Findelkind. Die modernen Teilchentheorien enthalten vielerlei Felder, die das erforderliche Verhalten zeigen, aber über ihre kinetische und potenzielle Energie ist nicht genug bekannt, um sagen zu können, welche Felder – wenn überhaupt – tatsächlich negativen Druck erzeugen.

Eine exotische Möglichkeit wäre, dass die Quintessenz aus der Physik der zusätzlichen Dimensionen hervorgeht. Seit einigen Jahrzehnten wird die String-Theorie erforscht, die vielleicht die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu einer einheitlichen Theorie der fundamentalen Kräfte verknüpfen kann. Eine zentrale Eigenschaft der String-Modelle ist, dass sie zehn Dimensionen postulieren. Vier davon sind die uns bekannten drei Raumdimensionen und die Zeit. Die übrigen sechs müssen verborgen sein. In einigen Formulierungen sind sie eingerollt wie eine Kugel, deren Radius zu klein ist, um – zumindest mit heutigen Instrumenten – wahrgenommen zu werden. Eine neuere Erweiterung der String-Theorie, die so genannte M-Theorie, fügt noch eine elfte Dimension hinzu: Die gewöhnliche Materie ist demnach beschränkt auf zwei dreidimensionale Flächen, so genannte branes (von englisch membranes), zwischen denen eine mikroskopische Lücke entlang der elften Dimension klafft (siehe "Die unsichtbaren Dimensionen des Universums" von Nima Arkani-Hamed et al., Spektrum der Wissenschaft 10/2000, S. 44).

Dunkle Materie – fein abgestimmt

Die Extra-Dimensionen sind für uns unsichtbar, doch falls sie wirklich existieren, sollten wir sie indirekt wahrnehmen können. Tatsächlich würden die zusammengerollten Dimensionen oder branes wie ein Feld wirken. Der Zahlenwert, den das Feld jedem Punkt des Raumes zuordnet, könnte dem Radius der Einrollung oder der Entfernung der Lücke entsprechen. Wenn der Radius oder die Lücke mit der Expansion des Universums langsam variiert, könnte das genau das hypothetische Quintessenz-Feld hervorrufen.

Was auch immer die Ursache der Quintessenz sein mag, ihre Dynamik könnte das diffizile Problem der Feinabstimmung lösen. Wir müssen uns fragen: Warum hat die kosmische Beschleunigung just zu diesem speziellen Zeitpunkt angefangen? Die dunkle Energie wurde erzeugt, als das Universum gerade 10-35 Sekunden alt war; dann muss sie fast 10 Milliarden Jahre lang verborgen geblieben sein – ein Zeitfaktor von mehr als 1050. Erst dann, so die Beobachtungsdaten, gewann sie über die Materie die Oberhand und begann das Universum zu beschleunigen. Ist es nicht ein seltsamer Zufall, dass das Universum just dann, als denkende Wesen sich entwickelten, in den Schnellgang schaltete? Irgendwie scheinen das Schicksal von Materie und dunkler Energie miteinander verknüpft zu sein. Aber wie?

Wenn es sich bei der dunklen Energie um Vakuumenergie handelt, ist der Zufall praktisch unerklärlich. Einige Forscher wie Martin Rees von der Universität Cambridge und Steven Weinberg von der University of Texas in Austin favorisieren eine Erklärung auf Grund des anthropischen Prinzips. Vielleicht ist unser Universum nur eines unter vielen, und in jedem nimmt die Vakuumenergie einen anderen Wert an. Universen mit einer Vakuumenergie von mehr als vier Elektronenvolt pro Kubikmillimeter mögen häufiger sein, aber sie expandieren zu schnell, um Sterne, Planeten oder Leben zu bilden. Universen mit viel kleineren Werten sind vermutlich sehr selten. Unser Universum hätte den optimalen Wert. Nur in dieser "besten aller Welten" könnten intelligente Wesen existieren und sich Gedanken über die Natur des Universums machen. Doch die Physiker sind uneins, ob das anthropische Prinzip eine annehmbare Erklärung darstellt ("Die Erforschung unseres Universums – und anderer", von Martin Rees, Spektrum der Wissenschaft, Spezial 1/2000, Fortschung im 21. Jahrhundert, S. 22).

Eine andere Antwort beruht auf einer Form der Quintessenz namens Spurfeld (tracker field), die Ratra und Peebles sowie Steinhardt mit Ivaylo Zlatev und Limin Wang von der University of Pennsylvania untersucht haben. Die Gleichungen für Spurfelder verhalten sich wie klassische Attraktoren in chaotischen Systemen. In solchen Systemen konvergiert die Bewegung für einen weiten Bereich von Anfangsbedingungen zu demselben Endresultat – wie eine Murmel, die von jedem Ausgangspunkt am Rand einer leeren Badewanne letztlich stets im Ausguss landet.

Ebenso muss die Energiedichte des Spurfelds nicht von vornherein auf einen bestimmten Wert abgestimmt werden, denn das Feld stellt sich schnell von selbst auf diesen Wert ein. Es gerät zwangsläufig in eine Spur, auf der seine Energiedichte einen fast konstanten Bruchteil der Dichte von Strahlung und Materie beibehält. In diesem Sinne imitiert die Quintessenz – trotz völlig anderer Beschaffenheit – Strahlung und Materie. Der Grund dafür ist, dass Strahlungs- und Materiedichte die kosmische Expansionsrate bestimmen, die wiederum das Tempo festlegt, in dem sich die Quintessenz-Dichte ändert. Bei genauerer Betrachtung stellt sich heraus, dass dieser Bruchteil allmählich zunimmt. Erst nach vielen Millionen oder Milliarden Jahren holt die Quintessenz auf.


Wir sind Nutznießer der kalten Epoche

Aber warum gewinnt die Quintessenz gerade zu diesem Zeitpunkt die Oberhand? Die kosmische Beschleunigung könnte genauso gut in ferner Vergangenheit oder ferner Zukunft beginnen, je nach Wahl der Konstanten in der Spurfeldtheorie. Wir sind wieder beim Zufall gelandet. Aber vielleicht entfesselte irgendein Ereignis in relativ naher Vergangenheit die Beschleunigung. Steinhardt hat zusammen mit Christian Armendáriz Picon und Viatcheslav Mukhanov von der Universität in München ein solches Ereignis vorgeschlagen: den Übergang von der durch Strahlung dominierten zu der von Materie dominierten Epoche unseres Universums. Nach der Urknalltheorie steckte die Energie des Universums anfangs hauptsächlich in Strahlung. Doch als das Universum sich abkühlte, verlor die Strahlung schneller an Energie als die gewöhnliche Materie. Als das All einige Zehntausend Jahre alt war – logarithmisch betrachtet also vor relativ kurzer Zeit –, verschob sich das Energieverhältnis zu Gunsten der Materie. Dieser Wechsel markierte den Beginn der von Materie dominierten Epoche, deren Nutznießer wir sind. Erst dann konnte die Schwerkraft beginnen, Materie zusammenzuziehen und daraus Galaxien und noch größere Strukturen zu bilden. Gleichzeitig änderte sich die Expansionsrate des Universums.

Bei einer Variante der Spurfeldmodelle löste diese Veränderung eine Serie von Ereignissen aus, die zu der heutigen kosmischen Beschleunigung geführt haben. Während des größten Teils der Geschichte des Universums lief die Quintessenz der Spur der Strahlungsenergie hinterher und blieb ein unbedeutender Bestandteil des Kosmos. Doch sobald im Universum die Materie dominierte, schleuderte der Wechsel der Expansionsrate die Quintessenz aus der Verfolgerspur. Statt der Strahlung oder der Materie zu folgen, wechselte der Druck der Quintessenz zu einem negativen Wert. Ihre Dichte blieb nahezu konstant und überholte schließlich die abnehmende Materiedichte. In diesem Bild ist die Tatsache, dass denkende Wesen und kosmische Beschleunigung fast gleichzeitig entstanden, kein Zufall mehr. Sowohl die Bildung von Sternen und Planeten, die für Leben notwendig sind, als auch die Umwandlung der Quintessenz in eine Komponente mit negativem Druck wurden demnach durch den Beginn der Materie-Dominanz ausgelöst.

Zunächst einmal werden die Kosmologen versuchen, die Quintessenz anhand beobachtbarer Indizien nachzuweisen. Weil ihr Wert für w sich von dem für die Vakuumenergie unterscheidet, bewirkt er eine andere Größe der kosmischen Beschleunigung. Präzisere Messungen von Supernovae über einen größeren Entfernungsbereich könnten die Entscheidung für eine der beiden Alternativen bringen. Astronomen haben zu diesem Zweck zwei neue Observatorien vorgeschlagen: die Supernova Acceleration Probe in einer Erdumlaufbahn und das bodengestützte Large-Aperture Synoptic Survey Telescope. Unterschiedliche Beschleunigungswerte erzeugen auch kleine Unterschiede im Winkeldurchmesser der heißen und kalten Stellen in der kosmischen Hintergrundstrahlung; die Microwave Anisotropy Probe und der Planck-Satellit könnten sie nachweisen.

Ein simulierter Blick in die Zukunft

Andere Tests messen, wie die Anzahl der Galaxien mit zunehmender Rotverschiebung variiert; daraus geht hervor, wie die Expansionsrate des Universums sich mit der Zeit geändert hat. Ein bodengestütztes Projekt namens Deep Extragalactic Evolutionary Probe soll nach diesem Effekt suchen.

Auf längere Sicht werden wir alle über die tief greifenden Folgen dieser revolutionären Entdeckungen nachdenken müssen. Sie führen zu einer ernüchternden Neuinterpretation unseres Platzes in der kosmischen Geschichte. Am Anfang – oder zumindest zum frühesten Zeitpunkt, von dem wir irgendetwas wissen – gab es die Inflation: eine Phase beschleunigter Expansion kurz nach dem Urknall. Der Raum war damals nahezu frei von Materie, und ein quintessenzähnliches Quantenfeld mit negativem Druck überwog. Während dieser Epoche dehnte sich das Universum um einen größeren Faktor aus als in den 15 Milliarden Jahren seit Ende der Inflation. Am Ende der Inflationsphase zerfiel dieses Feld zu einem heißen Gas aus Quarks, Gluonen, Elektronen, Licht und dunkler Energie.

Tausende Jahre lang war der Raum so dicht mit Strahlung gefüllt, das keinerlei Atome entstehen konnten, von größeren Gebilden ganz zu schweigen. Dann übernahm die Materie die Führung. Das nächste Stadium – unsere Epoche – ist durch stetige Abkühlung, Kondensation und die Bildung immer größerer komplexer Strukturen gekennzeichnet. Aber diese Epoche geht zu Ende. Die kosmische Beschleunigung kehrt zurück. Das uns bekannte Universum – mit leuchtenden Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen – scheint nur ein kurzes Zwischenspiel zu sein. Wenn in den nächsten zehn und mehr Milliarden Jahren die Beschleunigung die Oberhand gewinnt, werden Materie und Energie im Universum immer stärker verdünnt, und der Raum wird sich zu schnell ausdehnen, als dass sich neue Strukturen bilden könnten. Der Kosmos wird immer lebensfeindlicher (siehe "Das Schicksal des Lebens im Universum" von Lawrence M. Krauss und Glenn D. Starkman, Spektrum der Wissenschaft 1/2000, S. 52). Falls die Beschleunigung von der Vakuumenergie verursacht wird, ist die Geschichte des Kosmos damit beendet: Die Planeten, Sterne und Galaxien, die wir heute sehen können, sind der Gipfel der kosmischen Entwicklung.

Doch falls die Quintessenz Ursache der Beschleunigung ist, muss das Ende noch geschrieben werden. Die Expansion könnte sich immerfort beschleunigen, oder die Quintessenz könnte in neue Formen von Materie und Strahlung zerfallen, die das Universum erneut bevölkern. Weil die Dichte der dunklen Energie so gering ist, würde die aus ihrem Zerfall hervorgehende Materie vermutlich zu wenig Energie haben, um etwas Interessantes zu ergeben. Unter gewissen Umständen könnten beim Zerfall der Quintessenz aber auch einzelne Blasen entstehen. Ihr Inneres wäre leer, aber die Blasenwand wäre Schauplatz heftiger Aktivität. Die Wand würde auswärts wandern und dabei die gesamte Energie aus dem Zerfall der Quintessenz aufnehmen. Gelegentlich würden zwei Blasen mit einem fantastischen Feuerwerk kollidieren. Bei diesem Prozess könnten massereiche Teilchen wie Protonen und Neutronen entstehen – und vielleicht Sterne und Planeten.

Für zukünftige Bewohner würde das Universum höchst inhomogen aussehen; das Leben wäre auf weit voneinander entfernte Inseln beschränkt, umgeben von riesigen Leerräumen. Würden sie jemals herausfinden, dass ihr Kosmos ursprünglich dem homogenen und isotropen Universum entstammt, das wir heute um uns sehen? Würden sie jemals wissen, dass das Universum einst Leben hervorbrachte, das dann erstarb, bis es eine zweite Chance bekam?

Vielleicht werden Experimente schon bald eine Vorstellung davon geben, welche Zukunft unserem Universum bevorsteht. Wird es in der Sackgasse der Vakuumenergie enden oder das unerschöpfliche Potenzial der Quintessenz anzapfen? Letztlich hängt die Antwort davon ab, ob die Quintessenz einen Platz im Grundgefüge der Natur hat – vielleicht im Geltungsbereich der String-Theorie. Über unseren Platz in der kosmischen Geschichte entscheidet somit das Zusammenwirken des Allerkleinsten mit dem Allergrößten.

Literaturhinweise


Why Cosmologists Believe the Universe Is Accelerating. Von Michael S. Turner in: Type Ia Supernovae: Theory and Cosmology. Von Jens. C. Niemeyer und James W. Truran (Hg.). Cambridge University Press, 2000. -> http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9904049

Cosmic Concordance and Quintessence. Von Limin Wang et al. in: Astrophysical Journal, Bd. 530, Nr. 1, S. 17 (2000). -> http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9901388

Dynamical Solution to the Problem of a Small Cosmological Constant and Late-Time Cosmic Acceleration. Von C. Armendáriz Picon, V. Mukhanov und Paul J. Steinhardt in: Physical Review Letters, Bd. 85, S. 4438 (2000).

Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation of State. Von R. R. Caldwell et al. in: Physical Review Letters, Bd. 80, S. 1582 (1998). -> http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9708069

The Observational Case for a Low-Density Universe with a Non-Zero Cosmological Constant. Von Jeremiah P. Ostriker und Paul J. Steinhardt in: Nature, Bd. 377, S. 600 (1995). -> http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9505066

Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2001, Seite 32
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
3 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 3 / 2001

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