Festkonferenz im Goldenen Zeitalter der Kosmologie: Forscher feiern den Durchbruch zur Frühzeit des Universums.
Die grosse Zusammenkunft war weit mehr als eine historische Reminiszenz. 25 Jahre zuvor hatte der Workshop „The Very Early Universe” in Cambridge wesentliche Grundlagen der modernen Kosmologie gelegt. Im Dezember 2007 lud nun Stephen Hawking über 100 der bedeutendsten Kosmologen unserer Zeit ans Center for Mathematical Sciences (CMS) der britischen University of Cambridge ein. Hawkings Festkonferenz umfasste in vier Tagen viel mehr Vorträge als der damalige Workshop, der drei Wochen dauerte und nur etwa 30 Teilnehmer hatte. Auch diesmal diskutierten viele der führenden Kosmologen (die meisten aus England und den USA) wieder die neuesten Forschungsergebnisse. Dabei wurde deutlich, welche gewaltigen Fortschritte ihr Wissenschaftszweig gemacht hat.
„Wir hatten niemals zuvor ein kosmologisches Modell, das so viel erklärt”, zog Alan Guth vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge/USA das Fazit in seinem Eröffnungsvortrag. Er ist einer der Pioniere dieser Erfolgsgeschichte und Mitbegründer des Szenarios vom Inflationären Universum. Demnach blähte sich der Weltraum im ersten Sekundenbruchteil des Urknalls enorm auf, weswegen unser beobachtbares Weltall nur ein winziger Ausschnitt eines sehr viel größeren Universums ist. Diese Theorie löst viele Rätsel der Kosmologie, zum Beispiel die außerordentliche Gleichförmigkeit des Alls in großem Maßstab. Mittlerweile sehen viele in der Inflationstheorie das Standardmodell des sehr frühen Universums (bild der wissenschaft 12/2001, „Modell Klassik”).
Der Nachhall des Urknalls
Auf dem Workshop vor 25 Jahren hatten Guth, Hawking und ihre Kollegen berechnet, wie winzige subatomare Quanteneffekte durch die exponenzielle Ausdehnung des Weltraums gewaltig aufgeblasen wurden und welche Spuren das in der Kosmischen Hintergrundstrahlung hinterlassen haben müsste. Die konnte zehn Jahre später der Satellit COBE (Cosmic Background Explorer) tatsächlich finden: ein charakteristisches Muster winziger Temperaturschwankungen im Bereich von nur einem Hunderttausendstel Grad in der Hintergrundstrahlung. Sie ist der heute im Radiowellenbereich messbare „Nachhall” des Urknalls. George Smoot, der zusammen mit John Mather für die COBE-Entdeckung 2006 den Physik-Nobelpreis erhielt, schilderte in Cambridge die technischen Herausforderungen, die für diese bahnbrechende Entdeckung zu meistern waren. Inzwischen fliegt COBEs Nachfolger WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) durchs All und vermisst die Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung mit ungleich höherer Präzision. Dadurch haben die Wissenschaftler die bislang besten Abschätzungen der kosmischen Kennziffern gewonnen: zum Beispiel von der Zusammensetzung des Alls, seinem Alter und seiner Ausdehnungsgeschwindigkeit. Doch die Theorie der Kosmischen Inflation ist keineswegs gesichertes Wissen.
Daher sorgte ein Vortrag für die meisten Diskussionen, der eine neue Analyse der WMAP-Daten vorstellte. Benjamin Wandelt von der University of Illinois at Urbana Champaign hatte das Muster in der Temperaturverteilung der Kosmischen Hintergrundstrahlung auf bestimmte Merkmale hin neu analysiert – ein methodisch äußerst subtiles und komplexes Unterfangen. Wandelt ist dabei erstmals auf eine Abweichung der sogenannten Gaußverteilung dieser Merkmale gestoßen.
Weil diese „Non-Gaussianities” – so der Fachbegriff für die sehr unanschaulichen Eigenschaften – gemäß den einfachsten Inflationären Modellen nicht existieren dürften, könnte sich hier eine Krise für die Inflationstheorie anbahnen. Allerdings gibt es auch Modelle, die solche Merkmale voraussagen. Überdies wird trotz des großen Erfolgs der Inflationären Szenarien nach Alternativen gesucht – auch, weil bislang niemand eine tiefere physikalische Erklärung gefunden hat und weil die Vielfalt der Modelle zu verwirrend erscheint. Tatsächlich waren laut einer Umfrage rund ein Drittel der anwesenden Forscher mit dem Stand der Inflationstheorie unzufrieden.
Über konkurrierende Hypothesen wurde viel gesprochen, ohne dass eine davon breite Anerkennung erhielt. Eine weitere Frage ist, was vor der Inflation geschah. Um dieses Problem ging es im Vortrag von Stephen Hawking. Nach seinen neuen Berechnungen ist der Urknall womöglich nicht der absolute Anfang von allem, sondern nur ein Übergang von einem früheren kollabierenden Universum. Damit revidierte Hawking seine bisherige Auffassung. Das neue Modell ist eine Fortsetzung der „Keine-Grenzen”-Annahme, mit der Hawking zusammen mit Jim Hartle von der University of California in Santa Barbara schon in den Achtzigerjahren die ominöse Urknall-Singularität umging und trotzdem einen Beginn der Zeit beschrieb. Damals war es aber schwierig, das Szenario der Inflation zu integrieren – dies ist nun gelungen.
Stephen Hawkings Stiftung
„Es ist eine aufregende Zeit in der Kosmologie, denn es gibt viele neue Beobachtungsdaten, und große Experimente auf der Erde und mit Satelliten laufen an”, sagte Hawking mithilfe seiner Computerstimme, da er seit vielen Jahren aufgrund seiner Muskelschwäche, die ihn an den Rollstuhl fesselt, nicht mehr selbst sprechen kann. Aber sein Schaffensdrang ist ungebrochen. Hawking lässt sich auch von seiner schweren Behinderung nicht mürbe machen.
„Ich möchte sicherstellen, dass dieser Fortschritt auch auf der theoretischen Seite weitergeht.” Feierlich eröffnete Hawking am 19. Dezember das Centre for Theoretical Cosmology (CTC) am CMS. Finanziert von der Stephen Hawking Foundation mit 20 Millionen Pfund für zunächst fünf Jahre, wird es vor allem mehrere Forschungsstellen und Gastprofessuren ermöglichen. Hinzu kommen Workshops und Konferenzen, um führenden Theoretikern und vielversprechenden jungen Wissenschaftlern ein Forum zu bieten. Das Geld stammt überwiegend von Hawking selbst, dessen Bücher sich weltweit millionenfach verkauft haben. Hinzu kommen mehrere große Spenden von kosmologiefaszinierten Privatleuten. CTC-Direktor ist Hawkings früherer Mitarbeiter Neil Turok. „Das Zentrum wird dazu beitragen, Theorien über das Universum zu entwickeln, die sowohl mathematisch konsistent als auch durch Beobachtungen überprüfbar sind”, freut sich Hawking. „Wenn wir Glück haben, wird es helfen, einige der grundlegendsten Fragen zum Universum und zu unserer Existenz zu beantworten.” ■
von Rüdiger Vaas
