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Gravitationswellen: Physik macht großen Frühjahrsputz

Die Entdeckung von Gravitationswellen in der kosmischen Hintergrundstrahlung macht kurzen Prozess mit zahlreichen Theorien. Die Idee eines Multiversums hingegen erhält Aufwind.
Gibt es mehr als nur ein Universum?

Am 17. März präsentierte der Astronom John Kovac vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics die lange erwarteten Hinweise auf Muster in der kosmischen Hintergrundstrahlung: Gravitationswellen aus einer Zeit nur Sekundenbruchteile nach dem Urknall hatten sie erzeugt, als das junge Universum sich in rasanter Geschwindigkeit ausdehnte (siehe unser FAQ "Urknallphysik für Einsteiger").

Es dauerte nur Stunden, da stand bereits die erste Veröffentlichung über den Fund online. David Marsh vom Perimeter Institute of Theoretical Physics im kanadischen Waterloo und seine Kollegen diskutierten darin, welche Konsequenzen aus der Entdeckung gezogen werden müssten, und zwar im Speziellen für eine Gruppe von Theorien, die sowohl die kosmische Inflation als auch die dunkle Materie durch Rückgriff auf ein einziges hypothetisches Teilchen erklären: das so genannte Axion.

"Etwa 90 Prozent aller Inflationsmodelle kann man jetzt streichen"(Andrei Linde)

Laut den Messungen, die Kovacs Team mit dem BICEP2-Teleskop in der Antarktis durchführten, stehe es schlecht um das Axion, meinen Marsh und Team. Zwar ließen sich nicht sämtliche Axion-Modelle ausschließen, aber die Ergebnisse machten deutlich, "dass spezielle Sorten von Axionen nur einen winzigen Teil der dunklen Materie ausmachen können."

Modelle passen nicht zu den hohen Energien der Inflation

Der Kosmologe Marc Kamionkowski von der Johns Hopkins University in Baltimore pflichtet den Autoren bei: Einige Axion-Modelle seien in der Tat nun nicht mehr haltbar, "weil sie eine Inflation auf geringeren Energiebereichen voraussagen, als die BICEP2-Ergebnisse nahelegen."

Ähnliches gelte für eine ganze Latte weiterer Theorien, die ebenfalls auf einen Schlag die Grundlage verloren hätten. Dazu zählten auch bestimmte Annahmen über die Eigenschaften des Energiefelds, das die Inflation vorantrieb. "Die Anzahl akzeptabler Modelle ist dramatisch geschrumpft."

Gibt es mehr als nur ein Universum? | Wenn das rasante Aufblähen des Kosmos nur in einigen Regionen aufhört, anderswo aber weitergeht, entstünde eine Vielzahl von Universen, in denen womöglich ganz eigene Naturgesetze herrschen. Die jüngsten Ergebnisse der Physiker sprechen für dieses Modell.

"Es findet gerade ein großer Frühjahrsputz statt", meint Max Tegmark vom MIT, "wir können jetzt beinahe alles jetzt ausschließen. Das versetzt nicht nur Experimentalphysiker, sondern vor allem auch die Theoretiker gehörig in Aufruhr."

Etwa 90 Prozent aller Inflationsmodelle könne man streichen, erklärte Andrei Linde von der Stanford University. Einen Tag nach der Veröffentlichung der Ergebnisse hielt der Forscher, der zu den Gründern der Inflationstheorie gehört, vor prall gefüllten Rängen am MIT einen Vortrag. Viele dieser Modelle würden lediglich Gravitationswellen unterhalb der Nachweisgrenze produzieren.

Multiversum im Aufwind

Allerdings passten die Ergebnisse bemerkenswert gut auf das Modell der "chaotischen Inflation", eine einfache Variante der Inflation, die Linde vor 30 Jahren entwickelte. Bei dieser Version hört das Aufblähen niemals komplett auf, sondern nur in eng abgegrenzten Bereichen des Raums. Andernorts hingegen läuft die exponentielle Ausdehnung weiter. Dadurch entsteht ein Multiversum aus vielen kleinen Untereinheiten, in denen jeweils eigene Naturgesetze herrschen können. Den Nachteil dieser Theorie sehen Kritiker darin, dass sie sich nicht empirisch überprüfen lässt.

Laut Linde dürften die Gravitationswellen auch eine als "zyklisches Universum" bekannte Inflationstheorie ausschließen, derzufolge es einst zur Kollision zweier "Branenwelten" kam – dreidimensionaler Universen in einem höherdimensionalen Raum. Dieser Zusammenstoß soll den Urknall ausgelöst haben. Die Theorie sieht allerdings nicht vor, dass dabei Gravitationsstrahlung ausgesendet wurde, wie sie nun beobachtet wurde.

Schlappe für die Stringtheorie?

Das räumt auch Paul Steinhard ein, der die Theorie des zyklischen Universums mitentwickelte: Sollten sich die BICEP2-Ergebnisse erhärten, sei seine Theorie tot. Allerdings hat der theoretische Physiker an der Princeton University die Hoffnung noch nicht aufgegeben, dass eine neue Variante des Modells doch noch die erforderliche Strahlung hervorbringt.

Auch einige Stringtheoretiker müssten wieder zurück in die Denkstube, meint der Nobelpreisträger und MIT-Physiker Frank Wilczek. Der Stringtheorie zufolge bestehen Elementarteilchen aus winzigen, vibrierenden Energieschleifen. Versuche, sie mit der Kosmologie zu vereinen, hätten zu Inflationsmodellen geführt, bei denen Gravitationswellen mit deutlich geringeren Energien aufträten, als sie die BICEP2-Resultate nahelegen.

Dem widerspricht die Physikerin Eva Silverstein von der Stanford University: "Es ist keineswegs gesagt, dass wir jetzt wieder von Null anfangen müssen." Im Gegenteil: Für eine Gruppe von Theorien, die sowohl Axione und Strings einbeziehen, sehe es nun besonders vielversprechend aus.

Ähnlich sieht das Andrei Linde. "Es gibt keinen Grund, die Stringtheorie über Bord zu werfen. Das ist ein ganz normaler Prozess – wir erkennen jetzt, dass einige Varianten der Theorie besser sind als andere", sagt der Forscher. "Wir alle – und nicht nur die Stringtheoretiker – sollten jetzt wieder zurück ans Reißbrett gehen. Aber nicht weil wir versagt hätten, sondern weil wir etwas sehr Wichtiges dazugelernt haben. Auf dieser Grundlage müssen wir jetzt die nächsten Schritte unternehmen."

Dieser Artikel erschien unter dem Titel "Gravitational-wave finding causes 'spring cleaning' in physics" in "Nature".

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