AN EINEM SOMMERWOCHENENDE vor ein paar Jahren besuchten meine Frau und ich Freunde auf ihrer Farm in den Glass Mountains, Westtexas. Nach dem Abendessen sassen wir draussen in den Liegestühlen und schauten hinauf zum Himmel. Weit entfernt von der Stadt und ihren Lichtern, in der klaren und trockenen Luft - der Mond war bereits untergegangen -, konnten wir nicht nur Altair und Wega und all die anderen hellen Sterne ausmachen, die man in einer wolkenlosen Sommernacht überall sehen kann, sondern auch eine unregelmässige Lichtschwade, die den ganzen Himmel überspannte: die Milchstrasse, wie ich sie in all den Jahrzehnten, in denen ich in Städten lebte, nie gesehen hatte.
Der Anblick hat etwas Illusionäres an sich. Denn die Milchstrasse ist nicht irgend etwas da draussen, weit weg von uns. Sie ist unsere Galaxis, eine flache Scheibe von Sternen, und wir sind mittendrin. Wie der englische Instrumentenbauer Thomas Wright 1750 richtig erkannte, ist das, was wir am Himmel als Milchstrasse sehen, das Licht all der vielen Sterne, die, wenn wir über die Ebene der Scheibe blicken, auf unserer Sichtlinie liegen. Und beinahe alle diese Sterne sind zu weit entfernt, als dass wir sie einzeln zu erkennen vermöchten. Heute wissen wir, dass unsere Galaxis aus ungefähr hundert Milliarden Sternen besteht und im Durchmesser nahezu hunderttausend Lichtjahre misst. Wie ich die Milchstrasse so betrachtete, nicht in der Lage, einzelne Sterne auszumachen, ergriff mich bei der Vorstellung ihrer Grösse ein Schauder, und unwillkürlich klammerte ich mich etwas fester an die Armlehnen meines Liegestuhls.
Astronomen früherer Zeiten glaubten, unsere Galaxis sei auch das ganze Universum; doch bereits Immanuel Kant und andere spekulierten, die zahlreichen schwachen Lichtflecken am Himmel, die man mit den ersten Teleskopen entdeckte, seien Galaxien wie die unsrige. Seit den zwanziger Jahren dieses Jahrhunderts wissen wir, dass Kant recht hatte. Unsere Galaxis ist eine von vielen Milliarden ähnlicher Galaxien, die sich über Milliarden von Lichtjahren in alle Richtungen ausbreiten. Das Universum expandiert: Die Galaxien entfernen sich voneinander mit einer Geschwindigkeit, die proportional ist zu ihrem Abstand voneinander. Im selben Mass, in dem das Universum leerer wird, wird es auch kälter. Indem wir beobachten, was jetzt vor sich geht, und die physikalischen Gesetze, die wir kennen, anwenden, können wir herausfinden, was in der Vergangenheit geschehen sein muss.
VOR UNGEFÄHR zehn oder fünfzehn Milliarden Jahren war das Universum so dicht, dass weder Galaxien noch Sterne, ja nicht einmal Atome oder Atomkerne existieren konnten. Alles, was es gab, waren Teilchen von Materie, Antimaterie und Licht, die den vorhandenen Raum gleichmässig ausfüllten. Wir wissen nicht, welche Temperatur ganz am Anfang herrschte, aber nach unseren Berechnungen musste sie in diesem frühen Universum mindestens eine Trillion Grad Celsius betragen haben. Bei solchen Temperaturen verwandeln sich Materie- und Antimaterieteilchen fortwährend in Licht und werden wiederum aus Licht erzeugt. Während dieser Umwandlung entfernten sich die Teilchen rasch voneinander, gerade so, wie es die Galaxien heute tun. Diese Expansion bewirkte, dass sie sich schnell abkühlten, so wie etwa die Kühlung eines Kühlschranks zustande kommt, indem sich in seinen Rohrschlangen Freongas ausdehnt.
Nach einigen Sekunden war die Temperatur von Materie, Antimaterie und Licht auf ungefähr zehn Milliarden Grad gesunken. Das Licht hatte nicht mehr genügend Energie, um sich in Materie und Antimaterie zurückzuverwandeln. Fast alle Materie- und Antimaterieteilchen vernichteten einander gegenseitig, doch aus Gründen, die ein bisschen mysteriös sind, gab es einen leichten Überschuss von Materieteilchen - Elektronen, Protonen und Neutronen -, der auf keine Antimaterieteilchen traf, von denen er hätte vernichtet werden können, und der deshalb diese grosse Auslöschung überlebte. Nach drei weiteren Minuten der Ausdehnung erkaltete die übriggebliebene Materie so weit (ungefähr auf eine Milliarde Grad), dass sich Protonen und Neutronen zu den Kernen der leichtesten Elemente vereinen konnten: Wasserstoff, Helium und Lithium.
Über dreihunderttausend Jahre lang blieben die expandierende Materie und das Licht zu heiss, als dass sich Kerne und Elektronen zu Atomen hätten vereinigen können. Weder Sterne noch Galaxien konnten sich bilden, weil das Licht (die Photonen) einen zu starken Druck auf die freien Elektronen ausübte, so dass jeder Klumpen aus Elektronen und Kernen auseinandergesprengt worden wäre, bevor er dank seiner Schwerkraft hätte beginnen können, mehr Materie anzuziehen. Dann aber, als die Temperatur auf etwa dreitausend Grad fiel, verbanden sich fast alle Elektronen und Kerne zu Atomen. Es war die Epoche der sogenannten Rekombination, wie die Astronomen sie nennen. Nach dieser Rekombination begann sich die Materie auf Grund der Schwerkraft zu Galaxien und schliesslich zu Sternen zu verklumpen. Und da wurde sie zu all den schwereren Elementen verschmolzen, einschliesslich solcher wie Eisen und Sauerstoff, aus denen Milliarden von Jahren später unsere Erde entstand.
Dieses Szenario, auf Berechnungen beruhend, ist als die sogenannte Urknall-Theorie in die Geschichte der Kosmologie eingegangen. Man darf den Ausdruck nicht wörtlich nehmen. Der Urknall ist keine Explosion, die irgendwann in der Vergangenheit stattfand. Denn er ist eine Explosion, die seit zehn oder fünfzehn Milliarden Jahren andauert und das gesamte sichtbare Universum betrifft. Diese Explosion wird zweifellos Milliarden von Jahren fortdauern, ja vielleicht gar für immer.
OBSCHON DIE URKNALL-THEORIE eine grosse wissenschaftliche Errungenschaft ist, hat sie die interessanteste Frage nicht beantworten können: Wie ist das Universum entstanden? Nicht was in den ersten dreihunderttausend Jahren geschah oder in den ersten drei Minuten oder in den ersten paar Sekunden, ist das Problem, sondern was ganz am Anfang passierte - wenn es überhaupt einen Anfang gab - oder sogar noch davor.
1992 gehörte ich zu einer Gruppe von Physikern, die Vizepräsident Al Gore von der Notwendigkeit überzeugen sollte, einen neuen grossen Teilchenbeschleuniger, den sogenannten Superconducting Super Collider, zu bauen. Im Wissen, dass selbst Leute, die sich einen Deut um Physik scheren, durchaus neugierig sind, was Fragen der Kosmologie angeht, erläuterten wir ihm, wie dieses Instrument zur Entdeckung jener rätselhaften Teilchen führen könnte, von denen man glaubt, dass sie die Leere zwischen den Galaxien bevölkern, ja überhaupt den grössten Teil der Materie unseres Universums ausmachen.
Der Vizepräsident hörte höflich zu und versprach die wärmste Unterstützung seitens der Clinton-Administration. (Die Unterstützung, sollte sich dann herausstellen, war reichlich lau, und das Projekt wurde schliesslich vom Kongress begraben.) Dann, als Gore schon im Gehen begriffen war, wandte er sich noch einmal um und fragte etwas schüchtern, ob wir ihm denn nicht sagen könnten, was vor dem Urknall geschah.
Ich erinnere mich nicht mehr an unsere Antwort, aber ich bin sicher, dass sie nicht sehr erhellend war. Niemand vermag zu sagen, was vor dem Urknall passierte oder ob die Frage überhaupt einen Sinn hat. Wenn sie denn darüber nachdachten, pflegten die meisten Physiker und Astronomen anzunehmen, das Universum habe in einem Moment unendlicher Temperatur und Dichte begonnen, einem Moment, in dem die Zeit selbst ihren Anfang nahm, so dass die Fragen danach, was vor dem Urknall geschah, ebenso bedeutungslos sind, wie es die Frage ist, was bei Temperaturen unterhalb des absoluten Nullpunkts passiert. Manche Theologen begrüssen diese Sicht, vermutlich, weil sie eine gewisse Ähnlichkeit hat mit dem biblischen Schöpfungsbericht. Moses Maimonides etwa lehrte, «das Fundament unseres Glaubens» sei «die Überzeugung, dass Gott das Universum aus dem Nichts schuf; dass es keine Zeit vorher gab, sondern dass diese selbst erschaffen wurde». Augustinus war derselben Meinung. Doch die Ansichten der Kosmologen haben sich in letzter Zeit etwas modifiziert in Richtung auf ein komplizierteres und umfassenderes Bild von der Entstehung des Universums.
DIE GESCHICHTE dieses Meinungswechsels kann zurückverfolgt werden bis in jenen Dezember 1979, als ein junger Physiker namens Alan Guth sein Postdoktorat am Stanford Linear Accelerator Center absolvierte und sich darum sorgte, wo er seinen nächsten Job kriegen würde. Zusammen mit einem Cornell-Kollegen, Henry Tye, studierte er die kosmologischen Effekte bestimmter physikalischer Felder. Felder sind Zustände des Raumes selbst, ganz unabhängig davon, was für Materie sich in ihm befindet.
Das bekannteste Beispiel für ein derartiges Feld ist das Gravitationsfeld, das Schwerefeld, von dem wir alle spüren, wie es uns zum Mittelpunkt der Erde hin zieht. Die meisten haben auch schon einmal fühlen können, wie das Magnetfeld eines Stabmagneten ein auf der Hand liegendes Stück Eisen nach seinem Nord- oder Südpol ausrichtet. Gemäss der modernen, erprobten Theorie der Elementarteilchen, die als sogenanntes Standardmodell bekannt ist, bestehen die fundamentalen Bestandteile der Natur aus gut einem Dutzend verschiedener Arten solcher Felder.
Die Felder, mit denen sich Guth beschäftigte, sind sogenannte skalare Felder. Das heisst, sie umfassen rein numerische Grössen, wie zum Beispiel die Lufttemperatur, im Gegensatz zu Gravitations- und Magnetfeldern, die wie die Windgeschwindigkeit in eine bestimmte Richtung zeigen. Skalare Felder zerren nicht an irgend etwas herum, so dass wir sie normalerweise gar nicht wahrnehmen, aber die Physiker vermuten, dass sie das ganze Universum durchdringen. Nach dem Standardmodell der Elementarteilchen ist es die Einwirkung solcher skalarer Felder auf Elektronen, Quarks und andere Elementarteilchen, die diesen Teilchen Masse verleiht.
Alle Felder können Energie transportieren, so dass diese skalaren Felder sogar einen sonst völlig leeren Raum mit Energie füllen können. Gemäss Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie üben sämtliche Formen von Energie einen Einfluss auf die Geschwindigkeit aus, mit der sich das Universum ausdehnt. Ausgehend von der gemessenen Expansionsgeschwindigkeit des Universums, können wir schliessen, dass der leere Raum heute fast keine Energie mehr enthält.
Doch die Energie eines jeden Feldes hängt natürlich von dessen Stärke ab. So kann zum Beispiel niemand die Energie des schwachen magnetischen Feldes, die von einem gewöhnlichen Stabmagneten ausgeht, fühlen, aber die sehr viel stärkeren Magnetfelder moderner Elektromagneten haben Energien, die sogar die Magneten selbst zerstören können, falls sie nicht sorgfältig genug konstruiert worden sind. Die Stärken der skalaren Felder, die Guth untersuchte, hatten unter den Bedingungen des frühen Universums einen anderen Wert als heute. Sie verliehen dem «leeren Raum» eine ungeheure Energie, so dass sich dieser von dem fast energiefreien Raum, in dem wir derzeit leben, markant unterschied.
Nach den Berechnungen von Guth musste im frühen Universum die Energie des leeren Raumes eine Weile konstant geblieben sein, während das Universum expandierte. Das hatte zur Folge, dass die Expansionsrate selbst konstant blieb, ganz im Gegensatz zum heutigen Universum, in dem diese Rate in dem Masse sinkt, in dem die Materiedichte im Universum abnimmt. Wäre die Expansionsrate konstant geblieben, wäre das Universum exponentiell gewachsen, gleich einem Bankkonto, das mit Zins und Zinseszins von Jahr zu Jahr anschwillt. Was das Universum angeht, musste es sich wieder und wieder, in Bruchteilen von Sekunden, verdoppelt haben. Guth nannte dieses Phänomen «Inflation».
Dass das Universum sich möglicherweise exponentiell ausdehnte, wurde auch von anderen erkannt, so etwa von Andrei Linde und Gennady Chibishov am Moskauer Lebedev-Institut. Für sich genommen, wäre diese Erkenntnis eine bloss technische Angelegenheit und lediglich für Fachkollegen von Interesse gewesen. Doch Guth erkannte, dass mit der Annahme einer solchen Inflationsära eines der offenstehenden Probleme der Kosmologie gelöst werden könnte, nämlich das sogenannte Flachheitsproblem.
DAS PROBLEM besteht darin, zu verstehen, weshalb die Raumkrümmung im frühen Universum so gering war. Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie wissen wir, dass der Raum gekrümmt sein kann und dass diese Krümmung einen Einfluss auf die Expansionsgeschwindigkeit des Universums hat, ähnlich der Wirkung von Energie in Materie und skalaren Feldern. Bleibt alles andere konstant, nimmt die Expansionsgeschwindigkeit zu, je stärker der Raum gekrümmt ist. Wir wissen nicht genau, wie stark die Krümmung des Raumes im heutigen Universum ist, aber aus Messungen der Expansionsgeschwindigkeit und der Masse der Materie in Galaxienhaufen wissen wir, dass die Energie der Materie mindestens zehn Prozent zur Expansionsrate beiträgt, vielleicht sogar weitaus mehr. Dass heisst, dass für höchstens neunzig Prozent der Expansionsgeschwindigkeit die Krümmung des Raumes verantwortlich ist. Während sich das Universum ausdehnte, nahm die Materiedichte ab, so dass seither der Anteil der Krümmung an der Expansionsrate ständig wuchs. Wenn er heute nicht mehr als neunzig Prozent beträgt, so muss er in der ersten Sekunde des Urknalls weniger als ein Trillionstel betragen haben. Das ist keineswegs ein Paradox. Es gibt keinen Grund, warum die Raumkrümmung nicht sehr klein hätte sein sollen. Doch es wirft die Sorte von Fragen auf, die wir Physiker gerne klären würden, wenn wir könnten.
Guth erkannte, dass der Anteil der Krümmung an der Expansionsgeschwindigkeit während der Inflationsphase sehr rasch hatte abnehmen müssen. (Der Grund liegt darin, dass die Raumkrümmung selbst abnahm, während die Energie des leeren Raumes ungefähr konstant blieb.) Um also zu verstehen, warum der Raum zu Beginn des Urknalls so flach war, ist es nicht notwendig, irgendwelche willkürlichen Annahmen zu machen. Denn wenn dem Urknall eine genügend lange Inflationsperiode vorangegangen war, musste er selbst bei einer vernachlässigbar geringen Raumkrümmung begonnen haben. Guth notierte in seinem Tagebuch, die Inflation könne «erklären, weshalb das Universum so unglaublich flach war». Über diese Bemerkung setzte er in Grossbuchstaben den Titel: «Spektakuläre Erkenntnis». Und das war es denn auch.
Guth entdeckte bald, dass diese Inflationsthese weitere kosmologische Rätsel lösen würde, von denen er bisher einige gar nicht als solche erkannt hatte. Ein paar Wochen später hielt er einen Vortrag über seine Arbeit, und schon anderntags bekam er zwei Stellenangebote und Einladungen zu Vorträgen an anderen Instituten. Dann tat Guth etwas, das seltsam anmuten mag: Er machte sich daran, herauszufinden, was zu seiner Inflationstheorie in Widerspruch stehen könnte. Doch genau dies ist die Methode, mit der Physiker vorgehen. Guth wusste, dass andere Physiker es bald herausbekommen würden, wenn an der Inflationskosmologie etwas falsch war. Und natürlich wollte er der erste sein, der einen allfälligen Fehler seiner eigenen Theorie entdeckte, um selbst Gelegenheit zu haben, die Sache wieder ins Lot zu bringen. Physiker sind nicht heiliger als Ökonomen, doch das Vorhandensein eines allgemeinen Beurteilungsniveaus bringt sie eher als diese dazu, ihre eigene, beste Arbeit wieder in Frage zu stellen.
Wie sich dann herausstellte, war tatsächlich etwas falsch an der ursprünglichen Version der Inflationstheorie. Der Russe Andrei Linde scheint der erste gewesen zu sein, der dies erkannte, aber unabhängig von ihm kamen auch andere darauf, so Guth selbst und Erick Weinberg von der Columbia University, Paul Steinhardt und Andreas Albrecht von der University of Pennsylvania sowie Stephen Hawking, Ian Moss und John Stewart von der University of Cambridge. Die Schwierigkeit betraf das Ende der Inflationsära. Ursprünglich hatte Guth angenommen, dieses Ende habe in einem sogenannten Phasenübergang bestanden, vergleichbar dem von Wasser, das bei null Grad Celsius gefriert und bei hundert Grad siedet.
Der Phasenübergang am Ende der Inflationsära bestand natürlich nicht darin, dass Wasser in Eis oder Dampf übergegangen wäre. Vielmehr sprangen, als die Temperatur des Universums auf ungefähr 10 hoch 30 Grad gesunken war, die skalaren Felder von ihren ursprünglichen Werten - den Zahlen, die ihre Stärke angeben - auf die heutigen Werte zurück. Während dieses Übergangs bildeten sich da und dort Blasen von gewöhnlichem, energiefreiem leerem Raum, vergleichbar den Dampfblasen, die in siedendem Wasser entstehen. Guth hatte zunächst geglaubt, diese Blasen seien entstanden und wieder verschwunden, wobei sie ihre Oberflächenenergie gleichmässig über den Raum verteilt hätten, und dass das Universum danach mit der konventionellen Urknall-Theorie beschrieben werden könne. Doch Berechnungen zeigten, dass, obschon die Blasen expandierten, das Universum selber noch rascher expandiert haben muss, so dass die Blasen niemals hätten entstehen können. Das stellte Guth vor ein vertracktes Problem: In einem solchen Universum wäre ganz einfach kein Platz für so etwas wie den Urknall, der das Universum schuf, in dem wir uns befinden.
Linde und - unabhängig von ihm - auch Albrecht und Steinhardt fanden einen Ausweg aus dieser Sackgasse. Indem sie unterschiedliche Annahmen bezüglich der physikalischen Kräfte trafen, die für die Verteilung der Raumenergie verantwortlich sind, konnten sie zeigen, dass diese Energie während der Inflation in das Innere der Blasen hatte eindringen können, wobei sie sich schliesslich, bei Temperaturen von ungefähr 1030 Grad, in Licht und Materie umwandelte. Diese Materie und dieses Licht dehnten sich dann aus und expandierten, wie das die konventionelle Urknall-Theorie beschreibt. Demnach wäre also das von uns beobachtete Universum, das sich über Milliarden von Lichtjahren erstreckt und Milliarden von Galaxien enthält, nur ein winziger Teil innerhalb einer solchen Blase. Es gäbe zahllose weitere Blasen von gewöhnlichem Raum, zu weit weg, als dass man sie zu sehen vermöchte, und möglicherweise würde es in vielen davon genauso einen Urknall geben, wie wir ihn erleben. Bald nachdem er seine Arbeit beendet hatte, hielt Guth am gemeinsamen Theorieseminar der Harvard University und des MIT einen Vortrag mit dem Untertitel «Wie Linde und Steinhardt die Probleme der Kosmologie lösten, während ich schlief».
Etwas salopp ausgedrückt, könnte man sagen, dass jede solche Raumblase ein «Universum» ist. Halten wir fest an der üblichen Definition des Universums als etwas, das absolut alles umfasst, dann würde die Idee einer Vielzahl von «Urknallen» eine enorme Erweiterung des Begriffs vom Universum bedeuten. Es wäre der dritte Schritt in einer historischen Entwicklung, die 1584 mit der Annahme von Giordano Bruno begann, die Sterne seien Sonnen wie die unsere, und die sich 1929 fortsetzte, als Edwin Hubble zeigen konnte, dass einige der schwachen Lichtflecken am Himmel Galaxien wie die unsrige sind.
Diese neue Inflationskosmologie hatte ihre eigenen, inneren Probleme. Seit 1980 sind andere Inflationstheorien ausgearbeitet worden. Die meiner Meinung nach interessanteste ist die «chaotische Inflationstheorie» des Russen Andrei Linde, der nun in Stanford arbeitet. Er geht von der Annahme aus, dass die skalaren Felder zum Beginn der Zeit keine definierten Werte hatten, die im ganzen Universum gleich gewesen wären, sondern vielmehr ziemlich wild fluktuierten, so dass die Inflation da und dort zu verschiedenen Zeiten einsetzte.
Diese «chaotische Inflationstheorie» eröffnet die Möglichkeit einer neuen Sicht dessen, was vor dem Urknall geschah. Wenn sich die skalaren Felder nicht synchron überall im Universum entwickeln, dann könnte es weit entfernt andere Big Bangs vor dem unseren gegeben haben, und vielleicht wird es in der Zukunft auch weitere geben. Obwohl unser eigener Urknall vor ziemlich genau zehn bis fünfzehn Milliarden Jahren begann, könnten Big Bangs in einem Universum, das unendlich alt ist, seit immer und ewig stattgefunden haben.
EINE NOCH KURIOSERE IDEE hat in letzter Zeit an Boden gewonnen. So wie das, was wir Universum nennen, nur ein geringer Teil des Ganzen sein könnte, besagt sie, so könnte das, was wir üblicherweise «Naturkonstanten» nennen - wie etwa die Massen der Elementarteilchen - von einem Teil des Universums zum anderen variieren. Die Inflationskosmologie eröffnet eine konkrete Möglichkeit, diese Idee zu formulieren. Denn die Evolution der skalaren Felder innerhalb jeder expandierenden Blase kann zu Endwerten dieser Felder führen, die sich von der einen Blase zur anderen unterscheiden, was wiederum zur Folge hat, dass jeder Urknall zu verschiedenen Werten der physikalischen Konstanten führen kann. So gesehen wäre es kein Rätsel mehr, warum die Konstanten, die wir kennen, Werte haben, die das Auftreten von intelligentem Leben ermöglichen: Nur in den Teilen des Universums, in denen die Konstanten solche Werte aufweisen, kann es überhaupt jemanden geben, der sich darüber den Kopf zerbricht.
Diese Art von Argumentation nennt man anthropisch, und sie hat unter Physikern einen schlechten Ruf. Obschon ich solche Argumente selber auch schon gebraucht habe, schätze ich sie nicht besonders. Ich wäre viel glücklicher, wenn die Werte all dieser Naturkonstanten auf der Grundlage fundamentaler Prinzipien präzise berechnet werden könnten, anstatt dass man sich überlegen muss, welche Werte für die Entstehung von Leben nötig wären. Aber die Natur kümmert sich wenig um die Präferenzen von Physikern.
WAS VON ALL DEM können wir nun wirklich glauben? Zur Beantwortung dieser Frage müssen wir zwischen der Urknall-Theorie selbst und den Inflationskosmologien unterscheiden; beschreibt jene, was geschah, als die Temperatur im beobachtbaren Teil des Universums auf einige Billionen Grad gesunken war, versuchen diese zu beschreiben, was vorher geschehen war.
Was die Urknall-Theorie selbst angeht, dürfen wir zuversichtlich sein. Unser Verständnis der physikalischen Gesetze reicht aus, die Geschichte des Urknalls zurückzuverfolgen bis zu jenem Zeitpunkt, als die Temperatur des Universums ungefähr eine Trillion Grad betrug. Im übrigen waren die Bedingungen im Universum, bevor die Galaxien entstanden, überall dieselben, so dass wir es in unseren Berechnungen nicht mit komplizierten Unterschieden zwischen lokalen Bedingungen zu tun haben, so wie wir sie etwa hier auf der Erde finden und die es so schwierig machen, vorherzusagen, ob es in der kommenden Woche regnen wird oder nicht.
Die Urknall-Theorie wird auch bestätigt durch die Entdeckung verschiedener Überbleibsel aus dem frühen Universum. Das spektakulärste davon ist der Abglanz der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die in der Epoche der Rekombination erzeugt wurde; einer Strahlung, die - infolge der tausendfachen Ausdehnung des Universums - sich seither auf eine Temperatur von drei (genau: 2,73) Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt hat.
Das überzeugendste Beweisstück für die Urknall-Theorie kommt aber von einem anderen Überbleibsel: einem halben Dutzend Isotope der leichtesten Elemente, die man spektroskopisch in interstellarer Materie, die sich noch nicht zu Sternen entwickelt hat, entdeckte. Der nachgewiesene Überschuss dieser fünf Isotope stimmt im grossen und ganzen überein mit dem berechneten Anteil derselben Isotope, die bei Kernreaktionen am Ende der ersten drei Minuten des Universums entstanden sein mussten.
Die Urknall-Theorie ist keine vorübergehende Mode, die in der nächsten Runde astronomischer Beobachtungen vermutlich vom Tisch gewischt werden wird. Mit grosser Wahrscheinlichkeit wird sie als Teil einer jeden künftigen Theorie des Universums Bestand haben. Der Wissenschaftsautor Tim Ferris hat bemerkt, dass diese Schlussfolgerung denjenigen merkwürdig erscheinen mag, die in zahlreichen Zeitungs- und Magazinartikeln der letzten zehn Jahre gelesen haben, diese oder jene Beobachtung habe die Urknall-Theorie ins Wanken gebracht. Ferris zitiert das «Time Magazine», in dem berichtet wurde, die Urknall-Theorie werde «demontiert». Journalisten haben im allgemeinen keine Vorliebe für diese oder jene kosmologische Theorie, aber viele haben eine natürliche Vorliebe für Sensationen. Es ist einfach aufregend, zu melden, irgendeine neue Beobachtung drohe die Urknall-Theorie auf den Müllhaufen der Geschichte zu werfen. Hingegen zu berichten, irgendein Detail der Theorie sei in Frage gestellt worden, die Urknall-Theorie selbst aber sei wohlauf, ist langweilig - so langweilig wie jene Art von Stories, vor denen angehende Journalisten gewarnt werden und die unter Schlagzeilen laufen wie «Die Verbrechensrate in Toronto bleibt niedrig».
OBWOHL DIE ÜBERWÄLTIGENDE MEHRHEIT der Physiker und Astronomen der Urknall-Theorie zustimmt, kann man unter angesehenen Wissenschaftern immer noch Dissidenten finden, die ein anhaltendes Interesse an anderen Theorien haben. Eine Alternative stellt die Steady-State-Theorie dar, gemäss der es keine Evolution des Universums als Ganzem gibt; vielmehr entsteht in ihm selbst ständig neue Materie, die die Lücken zwischen den sich voneinander entfernenden Galaxien auffüllt. Es war Sir Fred Hoyle, einer der Väter der Steady-State-Theorie, der den Begriff «Urknall-Theorie» prägte, um sich über deren breite Anhängerschaft lustig zu machen. Als ich zum erstenmal Kenntnis von der Steady-State-Theorie bekam, fand ich sie in philosophischer Hinsicht sehr anziehend, weil sie von einem übernatürlichen Schöpfungsakt absieht. Die chaotische Inflationstheorie hat in gewisser Weise die Steady-State-Theorie in einem erweiterten Sinn wiederbelebt; unser eigener Urknall könnte demnach nur eine Episode in einem sehr viel grösseren Universum gewesen sein, das sich alles in allem niemals verändert. Doch die ursprüngliche Form der Steady-State-Theorie als einer Alternative zur Urknall-Theorie ist durch die Entdeckung der 3-Grad-Mikrowellen-Strahlung in überzeugender Weise widerlegt worden.
Es ist denkbar, dass einige von denen, die der Urknall-Theorie skeptisch gegenüberstehen, am Ende recht haben werden, aber es ist sehr unwahrscheinlich. Zumindest in den letzten hundert Jahren hat es keine andere grundlegende Theorie gegeben, die von so vielen Physikern und Astronomen gutgeheissen wurde und die sich dann schlicht als falsch herausgestellt hätte. Es hat sich oft gezeigt, dass unsere Theorien in einem engeren Rahmen Gültigkeit hatten, als wir ursprünglich dachten, oder gültig waren aus Gründen, die wir nicht verstanden hatten. Aber sie sind nicht einfach falsch, nicht so, wie zum Beispiel die Kosmologie eines Ptolemäus oder Dante falsch ist. Übereinstimmung unter uns Physikern kann nur die Natur selbst erzwingen, nicht irgendein orthodoxes wissenschaftliches Establishment. «Manche Wissenschaftstheoretiker», sagt Sir Martin Rees, «wären erstaunt festzustellen, wie viele Astronomen eher begierig als abgeneigt sind, sich einer revolutionären Partei anzuschliessen.»
UNTER DEN SKEPTIKERN ausserhalb der Wissenschaften schliesslich gibt es jene, die weniger kosmologischen Standardtheorien widersprechen als dass sie es vermeiden, nach deren objektiver Wahrheit zu fragen. Sie sehen die moderne Kosmologie als einen Ausdruck unserer westlichen Kultur.
Demnach, meinen sie, sei sie ganz in Ordnung für uns. Aber der Glaube, die Milchstrasse sei ein Fluss im Himmel, sei ebenso ganz in Ordnung für die Mayas gewesen wie auch der Glaube der frühen Völker des Amazonasbeckens, sie sei ein grosses Kanu, das von einem einbeinigen Paddler gesteuert werde. Doch wer, fragen solche Leute, könne schon sagen, welcher Glaube besser ist?
Ich kann es. Ich weiss nicht, ob die Mayas oder frühe Amazonasvölker an die objektive Wahrheit ihrer Milchstrassen-Theorien glaubten oder nicht. Vielleicht benutzten sie sie einfach, um brauchbare Markierungen am Himmel zu setzen, so wie wir uns nach dem Grossen Bären richten. Aber sie wussten bestimmt nicht, dass die Milchstrasse eine Scheibe ist, die Milliarden von Sternen enthält wie das Universum seinerseits Milliarden von Galaxien. Nach meinem Verständnis sind die Erkenntnisse der modernen Wissenschaft ein Allgemeingut der Menschheit, das über jede nationale Kultur hinausreicht. Die europäische Astronomie empfing wichtige Impulse von Ägypten, Babylon, Persien und der arabischen Welt, und die heutige Astronomie und Physik werden in der gleichen Art und Weise über die ganze Welt verbreitet. Doch wenn ich die moderne Astronomie bloss als einen Aspekt unserer westlichen Zivilisation ansehen würde, dann müsste ich, um die objektive Wahrheit bemüht, sagen, unsere Zivilisation sei zumindest in einer Hinsicht allen anderen überlegen, denn im Versuch, zu verstehen, was man am Himmel sehen kann in einer Sternennacht, haben unsere Astronomen eben Erfolg gehabt.
Im Gegensatz zur Urknall-Theorie ist die Inflationstheorie lediglich eine gute Idee, die viel erklärt, denn ob sie wirklich richtig ist, können wir bisher nicht sagen. Es herrscht kein Konsens unter den Physikern; Roger Penrose nannte sie «eine Mode, die die Hochenergiephysiker den Kosmologen aufgedrängt» hätten, und meinte, dass «selbst Erdferkel dächten, ihr Nachwuchs sei schön». Ich bin anderer Meinung, aber es ist sicher richtig, dass es schwierig sein wird, eine spezielle Inflationskosmologie zu entwerfen und zu entscheiden, ob sie korrekt ist oder nicht, und zwar sowohl aus astronomischen wie auch aus physikalischen Gründen.
Das einzige Überbleibsel, von dem wir wissen, dass es die Inflationsära überlebt haben könnte, und das uns einen quantitativen astronomischen Test der Theorie erlauben würde, sind Inhomogenitäten in der Verteilung von Materie und Licht. Aus der Quantenmechanik wissen wir, dass es während der Inflation kleine Fluktuationen in den skalaren Feldern gegeben haben muss. Diese Fluktuationen würden sich bei der Rekombination dreihunderttausend Jahre später als kleine Inhomogenitäten in der Temperatur der Materie und des Lichts zeigen. Und diese Inhomogenitäten sollten in der Mikrowellenstrahlung, die aus dieser Zeit zu uns dringt, festgestellt werden können. Bis jetzt haben zwar Messungen des Cosmic-Background-Explorer-Satelliten Resultate ergeben, die mit den Vorhersagen der Inflationskosmologie übereinstimmen, doch die beobachtete Inhomogenität ist ziemlich genau das, was allgemein erwartet worden war, bevor irgend jemand auch nur über inflationäre Kosmologie nachgedacht hatte. Ein kritischer Test dieser neuen Theorien muss auf sich warten lassen, bis neue Mikrowellen-Teleskope es erlauben werden, feinere Details in der kosmischen Mikrowellenstrahlung auszumachen. Doch sogar dann wird es vielleicht nicht möglich sein, einen Entscheid für oder gegen die Inflationsthese zu fällen, erstens, weil diese Beobachtungen gestört werden durch Lärm von Radiostrahlung aus unserer eigenen Galaxis, und zweitens, weil es derzeit so viele Versionen der Inflationskosmologie gibt. Im selben Zug, in dem wir Fortschritte machen, was das Verständnis des expandierenden Universums betrifft, weitet sich das Problem selber aus, so dass die Lösung sich immer mehr von uns zu entfernen scheint.
Ich glaube nicht, dass es allein auf der Grundlage astronomischer Beobachtungen möglich sein wird zu entscheiden, welche Version - wenn überhaupt eine - der Inflationskosmologie richtig ist, ohne dass fundamentale Fortschritte in der Physik gemacht werden. Unsere gegenwärtigen Theorien der Elementarteilchen sind nur Annäherungen, die die Bedingungen zur Zeit der Inflation nicht adäquat beschreiben. Wir wissen nicht einmal sicher, ob die skalaren Felder wirklich existieren oder, wenn sie es tun, welche unterschiedlichen Typen es davon gibt. Die Frage könnte mindestens teilweise experimentell beantwortet werden mit Hilfe des nächsten grossen Beschleunigers, des Large Hadron Collider, der zurzeit in Genf gebaut wird.
Manchmal scheint es, dass ein Grossteil unserer Arbeitszeit in der Wissenschaft im Warten auf neue Daten besteht. Vor Jahren, als ich begann, Physik und Mathematik zu studieren, war ich begeistert von der Nachricht, dass es auf Mount Palomar ein neues Teleskop geben würde, das viermal mehr Licht zu sammeln vermag als alle Teleskope zuvor. Ich nahm an, dass wir, sobald die Beobachtungen mit diesem neuen Teleskop begännen, die Antwort haben würden auf die ungelösten Rätsel der Kosmologie. Das war nicht der Fall, und jetzt haben wir ein neues Rätsel: Hatte das Universum einen bestimmten Anfang, oder sind die Big Bangs und Blasenbildungen von jeher vor sich gegangen?
In einem bin ich mir sicher. Diejenigen, die glauben, ein seit Ewigkeit existierendes Universum sei philosophisch oder theologisch absurd und allein deshalb müsse es einen Anfang gegeben haben, haben etwas gemein mit jenen, die glauben, ein Anfang sei absurd. Die Art ihrer Argumentation nämlich ist in jedem Fall falsch, ganz unabhängig davon, wessen Sicht sich nun als richtig herausstellen wird. Wir wissen nicht, ob das Universum seit Ewigkeiten existiert oder ob es einen Anfang gegeben hat - aber gewiss kann keine dieser Sichtweisen als absurd gelten, und die Entscheidung für eine davon wird keine Frage der Intention, der Philosophie oder der Theologie sein, sondern mittels der üblichen wissenschaftlichen Methoden erfolgen müssen.
Steven Weinberg, 1979 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, ist Professor für Physik an der University of Texas in Austin, wo er auch lebt.