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Kosmologie - ein Zustandsbericht

Das kosmologische Theoriegebäude gleicht derzeit einem Gerüst, das zwar fest gefügt ist, aber große Lücken aufweist. Für die offenen Fragen stehen Begriffe wie dunkle Materie, Inflation und Quintessenz – spannende Zeiten für die Kosmologie.


Wir Kosmologen erleben gerade eine besonders aufregende Zeit: Fluten neuer Beobachtungsdaten strömen herein, die Ideen sprudeln nur so und die Forschung erprobt diese Ideen unermüdlich an den Fakten. Aber es sind auch verwirrende Zeiten. Die derzeit diskutierten Ideen können unmöglich alle richtig sein; sie vertragen sich nicht miteinander. Wer soll die Fortschritte beurteilen? Hier meine Meinung dazu.

Zwar ist viel von theoretischen Umstürzen die Rede, aber dennoch haben die Kosmologen für unser Forschungsgebiet ein festes Fundament errichtet. Im Laufe der vergangenen siebzig Jahre haben wir überreichlich Beweise dafür gesammelt, dass unser Universum expandiert und sich abkühlt. Erstens: Das Licht ferner Galaxien ist zum Rot hin verschoben, so wie es sein sollte, wenn der Raum expandiert und die Galaxien voneinander weggezogen werden. Zweitens: Ein Ozean thermischer Strahlung erfüllt den Raum, so wie es sein sollte, wenn der Raum früher dichter und heißer war. Drittens: Das Universum enthält riesige Mengen Deuterium und Helium, so wie es sein sollte, wenn die Temperaturen früher viel höher waren. Viertens: Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxien sehen deutlich jünger aus, so wie es sein sollte, wenn sie den Zeiten näher sind, als es noch keine Galaxien gab. Und schließlich: Die Krümmung der Raumzeit scheint vom Materiegehalt des Universums abzuhängen, so wie es sein sollte, wenn sich das Universum nach den Vorhersagen der Einsteinschen Gravitationstheorie – der Allgemeinen Relativitätstheorie – ausdehnt.

Expansion und Abkühlung des Universums gehören zum Wesen der Urknalltheorie. Ich vermeide dabei das Wort Explosion: Die Urknalltheorie beschreibt, wie das Universum sich entwickelt und nicht, wie es begann.

Der Urknall ist gesichert

Ich vergleiche den Prozess des Verknüpfens solch überzeugender Resultate – ob in der Kosmologie oder in einer anderen Wissenschaft – mit dem Bau eines Gerüsts. Wir versuchen jedes Indiz abzusichern, indem wir unterschiedliche Messungen als Stützbalken benutzen. Unser Rahmengerüst für die Expansion des Universums ist solide und stabil. Die Urknalltheorie wird nicht mehr ernsthaft in Frage gestellt, denn alles passt viel zu gut zusammen. Nicht einmal die radikalste Alternative – die neueste Wiedergeburt der Steady-State-Theorie – bestreitet, dass das Universum sich ausdehnt und abkühlt. Gewiss gibt es in der Kosmologie weiterhin unterschiedliche Meinungen, aber sie betreffen Ergänzungen des festen Grundgerüsts.

Zum Beispiel wissen wir nicht, was mit dem Universum geschah, bevor es expandierte. Die führende Theorie – die so genannte Inflation – ist eine interessante Ergänzung des Gerüsts, aber ihr fehlt die Abstützung. Bevor die laufenden Messungen eindeutige Anzeichen der Inflation liefern, möchte ich keine Wette darauf abschließen. Ich kritisiere die Theorie nicht, ich meine nur, dass diese mutige Pionierarbeit erst noch getestet werden muss.

Viel sicherer sind die Indizien dafür, dass der größte Teil der Masse im Universum aus dunkler Materie besteht, die in den äußeren Spiralarmen von Galaxien gehäuft vorkommt. Wir haben auch vernünftige Argumente für Einsteins berüchtigte kosmologische Konstante oder etwas Ähnliches; sie wäre die treibende Kraft der beschleunigten Expansion, die im Universum stattzufinden scheint.

Vor einem Jahrzehnt begrüßten die Kosmologen die dunkle Materie als elegante Erklärung für die Bewegung von Sternen und Gas in Galaxien. Hingegen stieß die kosmologische Konstante auf fast einhellige Ablehnung; doch nun wird sie – oder der verwandte Begriff Quintessenz – mehrheitlich akzeptiert (siehe "Die Quintessenz des Universums", Seite 32).

Die Elementarteilchenphysiker sehen nun in der kosmologischen Konstante sogar eine interessante Herausforderung für die Quantentheorie. Dieser Meinungswandel ist kein Zeichen von Schwäche; er zeigt ein fruchtbares Chaos um ein langsam wachsendes solides Gerüst an. Wir lernen von der Natur und passen dabei unsere Konzepte entsprechend an. Neuerdings sprechen gewisse Anzeichen für eine Beschleunigung der kosmischen Expansion: die Helligkeit von Supernovae, das Alter der ältesten Sterne, die Krümmung des Lichts um ferne Massen und die Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung (siehe "Revolution in der Kosmologie", Spektrum der Wissenschaft 3/1999, S. 38).

Die Hinweise sind eindrucksvoll, aber mich beunruhigen gewisse Details im Fall der kosmologischen Konstante, etwa mögliche Widersprüche zur Entwicklung der Galaxien und ihrer räumlichen Verteilung. Die Theorie des beschleunigt expandierenden Universums ist derzeit noch eine Baustelle. Ich bewundere die Architektur, möchte aber jetzt noch nicht einziehen.

Wie soll man die Medienberichte über den Fortschritt der Kosmologie beurteilen? Ich fühle mich nicht wohl bei Artikeln, die auf dem Interview einer einzigen Person beruhen. Forschung ist eine komplizierte und unübersichtliche Angelegenheit. Sogar der erfahrenste Wissenschaftler vermag kaum den großen Überblick zu behalten. Woher weiß ich, dass das gerade dieser Person gelingt? Gewiss kann auch die ganze Gemeinschaft der Wissenschaftler in die falsche Richtung gehen, aber das geschieht seltener. Deswegen ist mir lieber, wenn der Journalist einen Querschnitt der wissenschaftlichen Gemeinschaft befragt und Übereinstimmung darüber feststellt, dass ein bestimmtes Resultat ernst zu nehmen ist. Das Resultat wird interessanter, wenn andere es reproduzieren. Es wird überzeugend, wenn unabhängige Indizienketten zu derselben Schlussfolgerung führen. Meiner Meinung nach beschreiben die besten Wissenschaftsberichte nicht nur die neuesten Ideen und Entdeckungen, sondern auch das nötige, wenngleich oft langwierige Überprüfen und das Errichten des Stützgebälks.

Mit der Zeit werden Inflation, Quintessenz und andere derzeit diskutierte Konzepte ihren Platz im Gerüst finden – oder man wird sie fallen lassen und durch etwas Besseres ersetzen. In gewisser Weise machen wir uns damit selbst arbeitslos. Aber das Universum ist gelinde gesagt kompliziert, und es wäre einfältig zu glauben, uns würden in absehbarer Zeit die Forschungsziele ausgehen. Das herrschende Durcheinander zeigt, dass wir auf dem richtigen Weg sind: Auf der Baustelle herrscht reger Betrieb.

Literaturhinweise


Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts. Die Theorie des inflationären Universums. Von Alan H. Guth. Droemer Knaur, München 1999.

Vor dem Anfang. Eine Geschichte des Universums. Von Martin Rees. Fischer, Frankfurt 1998. Die Entwicklung des Universums. Von P. James E. Peebles et al. in: Spektrum Spezial: Leben und Kosmos. Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg 1994.

Concluding Remarks on New Cosmological Data and the Values of the Fundamental Parameters. Von P. James E. Peebles in: IAU Symposium 201: New Cosmological Data and the Values of the Fundamental Parameters. Von A. N. Lasenby et al. (Hg.), August 2000.

The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant, and the Beauty of the Cosmos. Von Mario Livio und Allan Sandage. John Wiley & Sons, 2000.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2001, Seite 40
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
3 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 3 / 2001

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