Frühphase Der letzte Horizont

Ein Student des britischen Astronomen Peter Scheuer interessierte sich einmal für Kosmologie. Da reagierte der Professor mit einer Warnung. In der Kosmologie gebe es gerade mal zweieinhalb Fakten. Erstens: nachts ist es dunkel. Zweitens: die Galaxien bewegen sich voneinander weg. Dass das Universum aus einer heißen Anfangsphase, einem Urknall, hervorgegangen sei, das ließ Scheuer nur als halbe Tatsache gelten. Für eine ganze war ihm das noch zu unsicher.

Glimmender Himmel

Das war 1963. Inzwischen ist Scheuers halbe Tatsache zu einer ganzen geworden. Die Belege für eine Evolution des Kosmos sind Legion. Auf den wichtigsten stieß man bereits zwei Jahre nach Scheuers Diktum: Ein enorm gleichmäßiges Mikrowellen-Leuchten des gesamten Himmels. Diese Strahlung wurde 380 000 Jahre nach dem Urknall frei. Es ist das früheste Licht. Doch dieser kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB, siehe „Schwappendes Plasma“) konnte nicht ganz gleichmäßig sein.

Es muss damals schon Vorläufer jener Materiekonzentrationen gegeben haben, in denen später die ersten Sterne zündeten und diese Dichteschwankungen mussten sich auf den CMB durchgepaust haben. Erst der Satellit „Cobe“ trug ein Instrument, das empfindlich genug war, um das zu sehen. Als George Smoot, ein leitender Forscher der Mission, 1992 auf einer Pressekonferenz von seinem ersten Blick auf die ersehnten Flecken berichtete, sagte er, es sei ihm vorgekommen, als hätte er Gott gesehen. Eine Offenbarung waren die Flecken auch für viele Theoretiker. Eine bestimmte statistische Eigenschaft des Fleckenmusters passte bestens zum Modell der „kosmische Inflation“, auch „Inflationstheorie“ genannt. Es postuliert, dass sich kurz nach dem Urknall ein Raumgebiet, in dem sich auch das befand, was später zu unserem sichtbaren Universum wurde, exponentiell aufblähte. 

Die im CMB bewahrten Inhomogenitäten können dann als aufgeblähte Quantenfluktuationen interpretiert werden. In der Inflationsphase muss das Universum mehr als zehn Milliarden Mal heißer gewesen sein als alle Materiezustände, die sich in Beschleunigern erforschen lassen. Öffneten sich der Physik hier vielleicht Sphären der Wirklichkeit, die ihr sonst ewig verschlossen geblieben wären? Heute ist der CMB noch sehr viel genauer vermessen. Das hat die Urknall-Theorie weiter präzisiert. Wurde auch die Inflationsidee gestärkt? Tatsächlich wurde jene zur Inflation passende Fleckenstatistik glanzvoll bestätigt. Alternative Erklärungen, welche die frühen Dichteschwankungen auf etwas anderes als auf Quantenfluktuationen zurückführen, schieden aus.Das hat mitunter den Eindruck erweckt, um die Inflation komme nun niemand mehr herum. Zugleich haben einige Kosmologen auf Grundlage der Inflation Thesengebäude von faszinierender spekulativer Kraft errichtet, etwa die von der Existenz unendlich vieler Paralleluniversen. In den populärwissenschaftlichen Schriften dieser Forscher erscheint die Inflationstheorie als vergleichsweise prosaische Basis solcher Ideen dann oft wie eine etablierte wissenschaftliche Tatsache. Aber ist es eine? Oder könnte daraus zumindest einmal eine werden? Immerhin, die Grundidee ist nachgerade genial. Der amerikanische Teilchenphysiker Alan Guth, der damit 1981 berühmt wurde, vermochte durch das Inflationsmodell auf einen Schlag mehrere Probleme zu lösen, welche die herkömmliche Kosmologie aufwirft (siehe unten „Rätsel des Urknalls“).

Ausgangspunkt ist Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die bereits die Standard-Urknalltheorie beschreibt, sofern man eine Größe darin, die Kosmologische Konstante, null oder fast null setzt. Nimmt man dann noch an, dass das Universum im Großen und Ganzen so gleichförmig ist, wie das, was wir heute davon sehen, ergibt sich unser gemächlich expandierender Kosmos mit einem Anfang in der Zeit - dem Urknall. Führt man die gleiche Rechnung aber mit einer erheblich von Null verschiedenen Kosmologischen Konstante durch, erhält man ein exponentiell expandierendes, eben ein inflationäres Universum. Als Elementarteilchenphysiker wusste Guth, dass bestimmte Teilchentheorien bei sehr hohen Energien Felder postulieren, die wie solch eine kosmologische Konstante wirken.

Nun ersetzt die Inflationsidee damit die drei genannten Rätsel allerdings durch ein neues - nämlich das der Herkunft jenes blähenden teilchentheoretischen Feldes. Bei Guth sollte dies ursprünglich ein Feld sein, dass eine Rolle bei der Vereinigung zweier fundamentaler Kräfte der Natur spielen könnte. Doch damit funktioniert es nicht. Wie genauere Rechnungen zeigten, ist für eine Inflation, die in einem Universum wie dem unseren mündet, ein völlig neues Teilchenfeld nötig, das heute meist „Inflaton“ genannt wird.

Da über das Inflatonfeld aber nichts bekannt ist, außer dass es eine Inflation bewirken können muss, bleibt den Theoretikern erhebliche Gestaltungsfreiheit. Die eine Inflationstheorie gibt es daher gar nicht. Vielmehr kursiert eine stetig wachsende Zahl unterschiedlicher Modelle. 1997 schätzte Alan Guth sie auf etwa 50, der Brite Andrew Liddle kam 1999 bereits auf 100. Damit aber lassen sich die Details der Inflation nahezu beliebig zurechtschneidern und so ziemlich jeder Beobachtung anpassen, die sich einstellen mag. So sah es Mitte der 1990er danach aus, als sei das Universum negativ gekrümmt und nicht flach, wie von der Inflation gefordert. Prompt erschienen Arbeiten über Inflationsmodelle, die genau so etwas voraussagten.

Heute wird wieder ein einfacheres Inflationsmodell favorisiert, doch das könnte sich bald wieder ändern. Dieses simple Modell sagt nämlich voraus, dass die Verteilung von warmen und kühlen Flecken im CMB exakt eine Zufallsverteilung nach der Gaußschen Glockenkurve aufweisen sollte. Christoph Räth vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching hat nun 2009 in den Daten der Sonde „W-Map“ Hinweise auf Abweichungen von der vorhergesagten „Gaußianität“ entdeckt. Andere Wissenschaftler stießen auf ähnliche Spuren. „Es ist ein konsistentes Bild von Inkonsistenzen“, sagt Räth.

Immune Theorien

Die europäische CMB-Mission „Planck“ soll die Frage klären. Doch was immer dabei herauskommt, die Inflationsidee als solche dürfte manifeste Nicht-Gaußianitäten ebenso überleben wie das Ausbleiben der sogenannten BModen, nach denen Planck fahndet. Das sind Muster in der Polarisation der Hintergrundstrahlung, die durch Gravitationswellen erzeugt werden. Diese müssen in jeder Form von Inflation entstehen. „Es gibt aber viele vernünftige Inflationsmodelle, deren B-Moden zu schwach sind, um mit Planck entdeckt zu werden“, sagt Andrew Liddle. Und sein Kollege John D. Barrow von der Universität Cambridge fügt hinzu: „Man kann immer nur bestimmte Inflationsmodelle widerlegen, nicht aber die Inflationstheorie als solche.“

Damit entzieht sich die Inflation der Falsifizierbarkeit, die zuweilen im Anschluss an den Philosophen Karl Popper zum Kriterium einer wissenschaftlichen Aussage erhoben wird. Ein Malheur mit dieser Regel ist freilich, dass damit die Wissenschaftlichkeit einer Theorie oft erst dann sicher feststeht, wenn sie falsifiziert ist. In der Praxis bewerten Wissenschaftler Theorien weniger nach ihrer Falsifizierbarkeit, als daran, dass sie überprüfbare empirische Voraussagen machen. Es bleibt ein Risiko, einer falschen Theorie aufzusitzen, die zufällig Richtiges vorhersagt. Dieses Risiko sinkt aber drastisch mit der Zahl der Beobachtungen, welche die Theorie unabhängig voneinander stützen. „Die erfolgreichsten Theorien der Physik sind massiv von Daten überbestimmt“, sagt der Wissenschaftsphilosoph Chris Smeenk von der University of Western Ontario.

Könnte man nun nicht die Antworten, die bereits Alan Guth auf jene drei Rätsel der Standard-Kosmologie gab, als solche erfolgreichen Voraussagen der Inflationstheorie auffassen? Wissenschaftstheoretiker, die sich mit der Frage befasst haben, hegen durchaus Zweifel. Am größten sind die beim sogenannten Monopolproblem. „Das beobachtete Fehlen von Monopolen ist genauso gut ein Argument gegen die betreffenden Elementarteilchentheorien wie es ein Argument für die Inflation ist“, schrieben John Earman von der University of Pittsburgh und sein Madrider Kollege Jesus Mosterin in einer 1999 erschienenen Arbeit.

Ob die fehlende Raumkrümmung - das zweite Problem - als Vorhersage der Inflation angesehen werden kann, ist schon deswegen zweifelhaft, weil es schon Inflationsmodelle gegeben hat, die auch ein gekrümmtes Universum erklären können. Tatsächlich ist zunächst kein Wert der Raumkrümmung spezieller und daher der theoretischen Erklärung bedürftiger als ein anderer, auch ein Wert Null nicht. Und die Aussage, eine inflationäre Phase würde aufgrund ihrer glättenden Wirkung eine Krümmung vom Wert Null doch besonders wahrscheinlich machen, lässt sich nur treffen, wenn man irgend etwas über die möglichen Krümmungswerte vor der Inflation wüsste. Man weiß darüber aber nichts.

Man weiß überhaupt wenig über die Bedingungen, unter denen die inflationäre Phase eingesetzt haben soll. Vor allem ist offen, inwieweit die Annahme eines gleichformigen Kosmos da überhaupt noch gültig ist, unter der aus den Einsteinschen Gleichungen mit Kosmologischer Konstante eine Inflation folgt. Einen winzigen Sekundenbruchteil früher, in der sogenannten Planck-Ära, dürfte Einsteins Theorie noch nicht anwendbar gewesen sein, stattdessen führten die noch unbekannten Gesetze der Quantengravitation das Regiment.

Es ist genauso möglich wie alles andere, dass die thermische Gleichförmigkeit des CMB, und damit die Lösung des Horizontproblems, dem dritten Argument für Inflation, auf das Konto der Quantengravitation geht.

Quanten in Gefahr

Das erwartete Versagen der Einsteinschen Theorie in der Planck-Ära gefährdet auch den bislang größten empirischen Erfolg der Inflation: die statistische Eigenschaft der CMB-Flecken, die auf inflationär gedehntes Quantenflackern als Saatkörnchen heutiger Strukturen im Kosmos verweist. Denn auch dieser Verweis basiert auf Einsteins Gleichungen, die zu Beginn der Inflation vielleicht noch gar nicht galten. „Die Vorhersagen der Inflationstheorie machen implizite Annahmen über die Physik der Planck-Ära“, sagt Robert Brandenberger von der kanadischen McGill University, der über Modelle wie das String-Gas nachdenkt (siehe unten „Alternativen zur Inflation“), die nicht so tun, als ließe sich ohne Quantengravitation mehr über den Ursprung des Kosmos sagen als die gewöhnliche Urknalltheorie es vermag.

Nun ist der erkenntnistheoretische Status solcher Alternativen oft noch heikler als im Fall der Inflation. Die genannten Probleme sollten Kosmologen daher nicht davon abhalten, weiterhin Inflationsmodelle zu ersinnen und nach beobachtbaren Konsequenzen wie den B-Moden zu suchen. „Die Kosmologie des frühen Universums ist ein schwieriges Geschäft“, sagt der dänische Philosoph Hendrik Zinkernagel. „Hochspekulative Szenarien sind oft das einzige, was einem da weiterhilft.“

Zudem liegt es vielen Inflationstheoretikern ganz fern, für ihr Tun höhere erkenntnistheoretische Weihen zu reklamieren. „Man kann nie etwas absolut beweisen“, sagt etwa Andrew Liddle. „Man kann nur den Grad seiner Überzeugung erhöhen. Für mich wäre der Nachweis von B-Moden überzeugend genug.“

Keine Frage, dieser Nachweis würde viele Skeptiker für die Inflationsidee gewinnen - und wahrscheinlich auch das Nobelpreiskomitee. Doch ein Grund, die Büste Alan Guths neben die Einsteins oder Heisenbergs zu stellen und den Physik-Schulbüchern Kapitel über Paralleluniversen anzufügen, ist das noch nicht. Der Punkt ist, dass auch eine durch B-Moden gestützte Inflationstheorie nie den Grad an Gewissheit beanspruchen kann wie ihn etwa die Standard-Urknalltheorie in ihrem Gültigkeitsbereich erlangt hat. Denn dort sind es bekannte und in ganz anderen Zusammenhängen empirisch getestete Naturgesetze, welche die astronomischen Daten im Lichte der Theorie zu erklären vermögen: Atom-, Kern-, Teilchenphysik und vor allem Einsteins Relativitätstheorie. Inflationskosmologie dagegen versucht, Gültigkeitsbereiche neuer Naturgesetze zu erschließen, die sie zugleich zur Erklärung der Daten heranzieht. Das kann keine Naturwissenschaft von der Art sei, die zur Relativitätstheorie geführt hat - oder eben zum Urknallmodell, dessen Autorität sich aber bei ein paar Bruchteilen einer Picosekunde nach dem Urknall wie an einem Horizont verliert.

Eine Kosmologie, die hinter diesen Horizont blickt, ist faszinierend, aber man darf von ihr nicht zuviel verlangen. Metaphysische Bedürfnisse kann sie schlechterdings nicht befriedigen. Sie bietet über ihren Gegenstand kein sicheres Wissen, und ein letztes Weltbild stellt sie schon gar nicht vor. Vielleicht müssen wir uns an den Gedanken gewöhnen, dass die Erforschung des extrem frühen Universums bald nur noch Wissen in Form mehr oder weniger begründeter Spekulationen liefert und keine Tatsachen mehr. Die Inflationstheorie jedenfalls ist keine Tatsache, nicht einmal eine halbe.