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Der Stand der modernen Kosmologie

Wer einen tieferen Einblick in die Welt der Kosmologie erhalten möchte, ist mit dem neuen Buch bestens bedient. Doch man sollte sich nicht vom gehobenen Niveau und Formeln abschrecken lassen.

Der ukrainischstämmige Astrophysiker Alex Vilenkin (* 1949) ist eine feste Größe im kosmologischen Zirkus. Er hat sich insbesondere mit seiner Theorie der »Ewigen Inflation« (1983) einen Namen gemacht. Derzeit ist er Direktor des renommierten Instituts für Kosmologie an der privaten Tufts University in Boston; Delia Perlov ist seine wissenschaftliche Assistentin. Man darf also gespannt sein, was die beiden Fachleute den neugierigen Leserinnen und Lesern, die mehr über den Ursprung und die Entwicklung des Universums erfahren möchten, zu erzählen haben.

Viele Welten aus dem Nichts

2008 legte Vilenkin das Buch »Kosmische Doppelgänger« vor, das von Multiversen handelt. Dabei outete sich der Autor als Fan der Viele-Welten-Interpretation der Quantenphysik sowie der Erzeugung des Kosmos aus dem Nichts. Im aktuellen Buch präsentieren die Autoren im Wesentlichen dieselben Themen, die sie allerdings in den historisch-physikalischen Kontext einbinden. Perlov und Vilenkin präsentieren dabei die wichtigsten Grundlagen der Kosmologie von der Pike auf. Entstanden ist ein populärwissenschaftliches Lehrbuch, das nicht an mathematischen Formeln spart, jedoch weit entfernt vom Niveau streng wissenschaftlicher Darstellungen ist. Wer etwas Ahnung von Physik und Mathematik aus der Schule mitbringt, wird kaum überfordert.

Durch den moderaten Preis bei immerhin 431 Seiten fällt die Aufmachung relativ schlicht aus. Bisweilen wirkt das Buch wie aus einem Selbstverlag. Die meisten Abbildungen sind schwarz-weiß gehalten und die Grafiken teils recht pixelig.

Das Buch gliedert sich in zwei große Teile: »Der Urknall und das beobachtete Universum« und »Jenseits des Urknalls«. Ersterer behandelt die klassische Kosmologie nach Einstein, der zweite liefert die neuesten Theorien, die auf der Quantenfeldtheorie beruhen. Hier geht es also um die Vereinigung von Makro- und Mikrokosmos. Am Ende eines jeden der 24 Kapitel gibt es eine Zusammenfassung und Fragen, bei denen die Leserschaft ihr gesammeltes Wissen anwenden soll. Dabei fordern die Autoren teilweise Berechnungen, Lösungen werden leider nicht angeboten.

Der erste Teil startet mit einem historischen Überblick. Interessant ist, dass bereits Newtons Gravitationstheorie relevante kosmologische Betrachtungen liefert. Die moderne Kosmologie läuten die Autoren mit Einsteins spezieller Relativitätstheorie ein, von der aus sie zur allgemeinen Relativitätstheorie übergehen. Die historischen Hintergründe (Euklid, Galilei, Gauß) spielen erneut eine wichtige Rolle, was zum allgemeinen Verständnis enorm beiträgt. Dennoch muss der Leser gut aufpassen, will er anschließende Fragen beantworten wie: »Was meinen wir, wenn wir sagen, Einsteins statisches Modell des Universums sei instabil?«

In den weiteren Kapiteln geht es um die beobachtende Kosmologie. Das Hubble-Gesetz wird ausführlich behandelt – nicht nur elementar, sondern auch in Bezug auf die Weltlinien von Licht und Galaxien (und deren momentane Entfernung) sowie kosmische Horizonte in einem expandierenden Kosmos. Demnach hat der beobachtbare Teil des Universums einen Radius von 46 Milliarden Lichtjahren. Leider gehen die Autoren nicht auf mögliche Topologien des Universums ein.

Beim Blick auf die Zukunft des Alls spielt die kritische Materiedichte eine wichtige Rolle. Deren Defizite führten bekanntlich zur Entdeckung der Dunklen Materie und Energie. Besonders Letztere prägt das Schicksal des Kosmos, bewirkt sie doch eine beschleunigte Expansion. Zur Vorbereitung auf den zweiten Teil folgen Kapitel über die Quantenwelt, die maßgeblich die Entwicklung des Universums mit der Bildung von Elementen kurz nach dem Urknall beeinflusst.

Damit sind die Leserinnen und Leser bereit für den zweiten Abschnitt, in dessen Zentrum die Inflationstheorie steht. Sie ergibt sich aus einem fundamentalen Problem der Kosmologie, der Homogenität des Universums. Alan Guth lieferte 1980 eine überraschende Lösung: Der Kosmos begann mit einer extrem kurzen Phase exponentieller Expansion. Der treibende Faktor sei dabei ein Quantenphänomen. Leider hatte Guths Theorie ebenfalls ein massives Problem: Was stoppt die Inflation? Andrej Linde, ein Kollege von Vilenkin, gelang der entscheidende Durchbruch.

Damit sind wir an der vordersten Front der Kosmologie angekommen. Das Kapitel »Die ewige Inflation« zeigt den momentanen Status – und eröffnet den Blick auf ein Multiversum von Raumzeitblasen, die spontan aus dem Nichts entstehen könnten. Diese Parallelwelten, zu denen keinerlei Kontakt besteht, könnten ewig expandieren oder wieder vergehen. Parallel sagt auch die umstrittene Stringtheorie multiple Universen voraus; diesem Thema ist ein eigenes Kapitel gewidmet. In »Kosmische Selektion« behandeln Perlov und Vilenkin auch die erstaunlichen Werte der Naturkonstanten, die erst die Existenz von Leben ermöglicht. Im Anhang finden sich tiefergehende Betrachtungen, eine Literaturliste und ein ausführliches Register runden das informative Buch ab.

Wer mehr über Kosmologie erfahren will, als in manch anderem Sachbuch geboten wird, und das gehobene Niveau nicht scheut, ist mit dem Werk von Perlov und Vilenkin bestens bedient.

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