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Welt der Wissenschaft: KOSMOLOGIE: Inflation – der Auftakt zum Urknall

Die Urknalltheorie des frühen Universums wird durch viele Beobachtungen eindrucksvoll bestätigt, steht aber in ihrer ursprünglichen Form im Konflikt mit grundlegenden Kausalitätsprinzipien. Eine dem heißen Urknall vorausgehende Phase beschleunigter Ausdehnung, die Inflation, löst einige Probleme des alten Urknallmodells und liefert eine mögliche Erklärung für den Ursprung der großräumigen Strukturen.
Oft fällt es schwer zu entscheiden, ob eine kosmologische Beobachtung durch physikalische Abläufe zu erklären ist, oder ob sie schlicht als anfängliche Gegebenheit akzeptiert werden muss. Ein Beispiel dafür ist das Alter des Universums. Die derzeit beste Schätzung ergibt ein Alter von 14 Milliarden Jahren. In der Kosmologie ist das irdische Jahr allerdings eine bedeutungslose Zeitspanne. Ausgehend von der Idee eines expandierenden Universums erscheint es natürlicher, die fundamentale Zeiteinheit der Gravitation und Quantenphysik zu verwenden. Dies ist die Planck-Zeit, benannt nach Max Planck (1858 – 1947), einem der Begründer der Quantenphysik. Die plancksche Zeiteinheit ist gerade einmal 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 05 Sekunden lang, festgelegt durch eine Kombination grundlegender Naturkonstanten. So gesehen ist das Alter des Universums eine Zahl mit 61 Stellen vor dem Komma mal der planckschen Zeiteinheit. Es stellt sich also die Frage: Wieso konnte das Universum so alt werden? Eine zweite Beobachtung ähnlicher Natur ist die Gleichförmigkeit des Kosmos. Die modernen Beobachtungen zur Kosmologie zeigen, dass das Universum, wenn man ausreichend große Abstände betrachtet, in jeder beliebigen Richtung gleich aussieht. Diese Gleichförmigkeit wird umso exakter, je größer die betrachteten Abstände werden. Hier lautet die Frage: Wie kam es zu dieser extremen Gleichförmigkeit? Beide Fragen – warum ist das Universum so alt, und warum ist es so ebenmäßig – sind eng miteinander verwandt, da große Unterschiede in der Verteilung von Massen (zum Beispiel von Galaxien heute oder von Elementarteilchen in den ersten Augenblicken nach dem Urknall) zu einem Gravitationskollaps – und damit zu einem schnellen Ende des Universums (oder eines Teils desselben) – geführt hätten. Beide Fragen haben etwas mit den Anfangsbedingungen im sehr frühen Universum zu tun. Wir wollen in diesem Beitrag den Stand der modernen Kosmologie unter dem Gesichtspunkt dieser Fragen darstellen.
Januar 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Sterne und Weltraum Januar 2011

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