Expansion „Die Standardtheorie vom Urknall behandelt nicht die Frage, was die Ausdehnung des Weltraums verursacht hat”, sagt Alan Guth. „Die Expansion wird vielmehr als Anfangsbedingung in die Gleichungen der Theorie gesteckt.” Die Inflationstheorie jedoch kann eine so gleichmäßige Ausdehnung erklären, wie sie sich heute noch messen lässt.
Teilchenzahl Das beobachtbare Universum enthält eine riesige Menge an Materie – rund 1090 Atome. Die exponentielle Expansion des Raumes bringt zwangsläufig astronomisch große Zahlen mit sich. Da das Volumen proportional zur dritten Potenz des Durchmessers ist, führt eine hundertfache Verdopplung einer inflationierenden Raumregion zu einer Volumenzunahme um den Faktor (2100)3 – also ungefähr 1090. Dies liegt in derselben Größenordnung wie die Teilchenzahl und könnte bei deren Erklärung eine Rolle spielen.
Magnetische Monopole Die Großen Vereinheitlichten Theorien, die alle fundamentalen Wechselwirkungen (elektromagnetische Kraft, starke und schwache Kernkraft) mit Ausnahme der Schwerkraft als eine Superkraft beschreiben, sagen voraus, dass bei den hohen Energien dieser Kraft magnetische Monopole entstanden sein müssen – Teilchen mit der 1016fachen Masse eines Protons, die im Gegensatz zu den bekannten Stabmagneten wie isolierte magnetische Nord- und Südpole wirken. Ihre Gesamtmasse würde die übrige Materie um den Faktor eine Trillion übertreffen. Dass wir keine solchen Monopole beobachten können, erklärt die Inflationstheorie mit der exponentiellen Raumausdehnung: Auf Grund dieser rapiden Volumenzunahme wurden die Monopole so stark ausgedünnt, dass es höchstens einige wenige im gesamten beobachtbaren Universum geben kann. Auch andere exotische Relikte, die aus einer Art Unregelmäßigkeit beim Beginn der Welt stammen könnten – eindimensionale Kosmische Strings, zweidimensionale Domänengrenzen (Bloch-Wände) oder dreidimensionale Texturen – würden wie die punktförmigen Monopole „weginflationiert”. Sie tauchen in manchen Fundamentalphysik-Theorien ebenfalls auf, werden aber nicht beobachtet.
homogenität Das Universum erscheint überall und in allen Richtungen extrem gleichförmig. Das macht insbesondere die Kosmische Hintergrundstrahlung deutlich, die den Weltraum gleichmäßig ausfüllt und die physikalischen Bedingungen 300000 Jahre nach dem Urknall anzeigt. Sie weist Temperaturunterschiede von nur etwa einem hunderttausendstel Grad auf. Der Standardtheorie des Urknalls zufolge können gegenüberliegende Himmelsregionen jedoch niemals miteinander in einer ursächlichen Beziehung gestanden haben, denn das heute beobachtbare Universum (Durchmesser: etwa 1026 Meter) wäre zu der Zeit, als es 10-35 Sekunden alt war, knapp einen Zentimeter groß gewesen – vergleichbar mit einer Murmel. Das erscheint wenig, ist aber physikalisch betrachtet noch immer riesig, denn das Licht hatte zu diesem Zeitpunkt erst etwa 10-27 Meter zurückgelegt. Ein Temperaturausgleich wäre damals also gar nicht möglich gewesen, und deshalb sollte die Kosmische Hintergrundstrahlung heute viel unregelmäßiger sein als sie tatsächlich ist. Durch die überlichtschnelle Raumausdehnung während der Inflation und die sich anschließende, bis heute anhaltende langsamere Expansion wurde jedoch eine winzige Region von weniger als 10-27 Meter Durchmesser mindestens auf die Größe unseres heutigen Beobachtungshorizonts aufgeblasen. Die Homogenität der Hintergrundstrahlung ist also kein unerklärlicher Zufall oder eine fein justierte Anfangsbedingung, sondern die Folge eines Wärme- und Energietransfers im frühen Universum, den die Inflation auf wahrhaft kosmische Skalen vergrößert hatte. Bereiche des Weltalls mit anderen physikalischen Eigenschaften gibt es wohl, aber sie sind so weit von uns entfernt, dass wir sie niemals erblicken können.
Fluktuationen Die winzigen Temperaturunterschiede in der Kosmischen Hintergrundstrahlung haben genau die Stärke und räumliche Verteilung, die die Inflationstheorie voraussagt. Ihr Ursprung sind zufällige Quantenfluktuationen, die durch die exponentielle Expansion enorm verstärkt wurden. Diese winzigen Dichteunterschiede im Urgas gelten als die „Keime” für die Entstehung der großräumigen Strukturen, das heißt der Haufen und Superhaufen von Galaxien.
Flachheit Messungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung und der durchschnittlichen Materiedichte zeigen, dass der Weltraum global nicht oder kaum gekrümmt ist, also weder der Oberfläche einer Kugel (sphärische Metrik) noch der eines Sattels (hyperbolische Metrik) ähnelt (bild der wissenschaft 6/2001, „Die flache Welt”). Diese „Flachheit” des Weltraums (Euklidische Metrik) ist als zufällige Anfangsbedingung extrem unwahrscheinlich (etwa 1 zu 1058) – allerdings notwendig, denn sonst wäre das Universum längst wieder in sich zusammengestürzt oder hätte sich so schnell ausgedehnt, dass aus der rasch verdünnten Urmaterie keine Sterne und Galaxien entstanden wären. Eine kurze Periode der Inflation kann die Flachheit des Weltraums jedoch zwanglos erklären und setzt nicht einmal voraus, dass der Euklidische Grenzfall von Anfang an zutraf. RV
Rüdiger Vaas
