Regiert im Kosmos die Antigravitation? Neue Messungen nähren eine alte Spekulation


von Ulrich Schnabel



Was das All zusammenhält

Albert Gore zeigte sich höchst interessiert: Als in der vergangenen Woche der Astrophysiker Stephen Hawking im Weißen Haus zu Gast war, wollte der US-Vizepräsident wissen, was denn von der neu entdeckten "Antischwerkraft" im All zu halten sei. Hawkings Antwort fiel knapp aus: "Wenn es sie überhaupt gibt, ist sie sehr klein."

Ob er damit den Wissensdurst des Vizepräsidenten stillte, ist fraglich. Denn hinter der geheimnisvollen Antischwerkraft verbirgt sich eines der größten Rätsel der Kosmologie, das seit über sechzig Jahren durch die Theorien der Astrophysiker spukt. Soeben hat es neue Nahrung erhalten: Auf einer Konferenz im kalifornischen Marina del Rey stellte ein internationales Astronomenteam Messungen vor, die das Wirken einer Art Antigravitation im All nahelegen. Die Forscher hatten weit entfernte explodierende Sterne (Supernovae) vermessen und zu ihrer Verblüffung festgestellt, daß sich das All stärker auszudehnen scheint als bislang angenommen. Diese Ergebnisse könnten "die Kosmologie auf den Kopf stellen", trompetete prompt das amerikanische Fachblatt Science, das die Meldung von der Antischwerkraft als erstes veröffentlichte. Die Entdecker selbst sind etwas reservierter. "Ich bin zwar sehr aufgeregt über unsere Ergebnisse", meint der Harvard-Astronom Robert Kirshner, aber es sei immer noch denkbar, daß "irgendein fieser kleiner Effekt" die Messungen verfälsche.

Dennoch sind die Kollegen fasziniert. "Wenn das stimmt, ist das eine ausgezeichnete Entdeckung", kommentierte der Astrophysiker Michael Turner in der New York Times. "Das würde bedeuten, daß der Großteil des Universums durch den Überschuß einer seltsamen Energieform beeinflußt wird, die eine abstoßende Kraft ausübt."

Um die Expansionsgeschwindigkeit des Alls zu bestimmen, hatten Kirshner und seine Kollegen mit dem Hubble-Teleskop vierzehn Supernovae in einer extrem weiten Entfernung von sieben bis zehn Milliarden Lichtjahren untersucht. Solche Sternexplosionen, die hellsten Lichter im Universum, gelten als "Standardkerzen". Ihre Leuchtkraft ist gut bekannt und läßt sich aus dem charakteristischen "Verglühen" einer Supernova genau bestimmen. Vergleicht man diesen Wert mit der tatsächlich gemessenen Leuchtkraft, so läßt sich die Entfernung einer Supernova abschätzen.

Mißt man zugleich ihre Geschwindigkeit (über die Rotverschiebung ihres Lichtes), so gibt dies ein Maß für die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums. Verblüffendes Ergebnis: Die vierzehn Supernovae waren im Schnitt zehn bis fünfzehn Prozent weiter entfernt, als die Astronomen erwartet hatten. "Offenbar dehnt sich das All immer schneller aus", staunte der Berkeley-Astronom Adam Riess. Ähnliche Ergebnisse meldeten Anfang Januar bereits zwei andere Forscherteams. Das "Supernova Cosmology Project" meldete ebenso eine unerwartet hohe Expansionsgeschwindigkeit des Alls wie die Princeton-Astronomin Ruth Daly, die vierzehn weit entfernte Radiogalaxien vermessen hatte.

Die Daten sorgen für Unruhe unter Astronomen, weil sie eigentlich erwarten, daß sich das All immer langsamer ausdehnt. Schließlich sorgt die allgegenwärtige Schwerkraft dafür, daß sich Massen gegenseitig anziehen und daß daher der gewaltige Anfangsschwung des "Big Bang" allmählich abgebremst wird. Beschleunigt sich dagegen die Expansion, so deutet dies auf eine entgegengesetzte Kraft hin, die im Fachjargon "kosmologische Konstante" heißt.

Albert Einstein, der diese Größe als erster in die Welt setzte, bezeichnete sie später als "die größte Eselei meines Lebens". Doch bislang erwies sie sich die kosmologische Konstante als resistent gegen alle Versuche, sie wieder abzuschaffen. Kaum ist sie an einer Stelle überflüssig geworden, taucht sie unvermutet woanders wieder auf.

Dabei führte Einstein die geheimnisvolle Größe mit dem griechischen Buchstaben Lambda ursprünglich nur als Rechentrick in die Physik ein. Als er 1917 die Gleichungen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie aufstellte, beschrieben diese zunächst ein ständig expandierendes Universum, was damals im Gegensatz zur anerkannten Lehrmeinung stand. Um für die gewünschte Ruhe im All zu sorgen, "korrigierte" Einstein seine Gleichungen durch die kosmologische Konstante. Welche physikalische Basis Lambda zugrunde liegen sollte, darüber schwieg er sich wohlweislich aus.

Zehn Jahre später wies Edwin Hubble nach, daß das All sich tatsächlich ständig ausdehnt, und Einstein hätte seine "Eselei" am liebsten rückgängig gemacht. Doch was einmal gedacht ist, kann nicht so leicht zurückgenommen werden. Überdies lieferte die inzwischen aufkommende Quantenmechanik sogar eine Begründung für die kosmologische Konstante. Denn die Quantentheorie postuliert zusätzlich zu den bekannten Energieformen noch eine "Vakuumenergie", quasi eine Kraft aus dem Nichts. Und Einsteins Lambda ließ sich plötzlich als geniale Vorwegnahme dieser Kraft deuten.

Den Begriff Antischwerkraft hält allerdings der Kosmologe Gerhard Börner vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching für "sehr mißverständlich". Die Größe Lambda hat nämlich verblüffenderweise keinerlei Wirkung auf irdische Massen. "Die kosmologische Konstante verändert die Gravitationswirkung auf der Erde überhaupt nicht, sondern hat nur eine globale Wirkung auf sehr große kosmologische Distanzen", meint Börner. Eher müsse sie als Krümmung der Raum-Zeit beschrieben werden, als eine Art innerer Druck im Kosmos, der in das Gewebe der Raum-Zeit permanent eingebaut ist und die Tendenz hat, Materie auseinanderzutreiben.

Direkt beobachten ließ sich das bislang allerdings noch nie. Lediglich obere Grenzwerte konnten für die kosmologische Konstante bestimmt werden - und die sind so klein, daß jeder Versuch, diese Kraft im Labor oder aus Beobachtungen in unserem Sonnensystem zu messen, völlig hoffnungslos wäre. Erst auf riesige Entfernungen von Milliarden Lichtjahren könnte sie sich entfalten. Denn in den Weiten des Alls werden nahezu alle anderen Kräfte bedeutungslos: Der Elektromagnetismus zeigt keine Wirkung, da die Himmelskörper elektrisch neutral sind; die atomaren Kernkräfte spielen keine Rolle, da ihre Reichweiten zu gering sind. Einzig die Schwerkraft bestimmt noch das kosmische Geschehen - und eventuell die kosmologische Konstante.

Nähere Hinweise zum Zustandekommen dieser seltsamen Größe liefert ausgerechnet die Betrachtung der Mikrowelt. Denn dort regiert das Prinzip der Unschärferelation: Größen wie etwa Ort und Geschwindigkeit oder auch Energie und Lebensdauer eines Teilchens lassen sich nicht gleichzeitig exakt bestimmen. Daher, so die paradoxe Schlußfolgerung, kann auch das Vakuum nicht völlig leer sein. Sonst müßte dort sowohl die Energie als auch die Lebensdauer aller Teilchen exakt gleich null sein - ein Zustand, den die Natur offenbar nicht vorgesehen hat. Daher besitzt auch der leere Raum eine gewisse winzige Energiedichte, die sich in ausgeklügelten Versuchen sogar messen läßt.

Diese könnte sich im kosmischen Maßstab durchaus zu einer beachtlichen Größe aufsummieren, eben der kosmologischen Konstante. Einziger Schönheitsfehler: Nach den Gleichungen der Quantentheoretiker ist sie rund hundert Zehnerpotenzen größer, als es die Abschätzungen der Kosmologen zulassen. Eine gewaltige Diskrepanz, die größer ist als der Unterschied zwischen einer Galaxie und einem Atomkern.

So zeigt sich wieder einmal die grundlegende Schwierigkeit der modernen Physik: Ihre beiden größten Errungenschaften, die Relativitätstheorie, die das Geschehen im kosmischen Maßstab beschreibt, und die Quantentheorie, die die Welt der subatomaren Teilchen beschreibt, stehen unverbunden nebeneinander. Zwar gelang es in den vergangenen Jahren, drei der vier Grundkräfte zu einer einzigen zu "vereinheitlichen". Nur die Gravitation widersetzte sich bislang allen Zähmungsversuchen. Vor dem Problem, auch die Schwerkraft im Rahmen der Quantentheorie zu beschreiben, stünden die Astrophysiker "wie Kinder, die in der Wüste ums Überleben kämpfen", kommentierte einst der berühmte Princeton-Physiker John Wheeler. Zwar hat es an Ansätzen zu einer "Quantengravitation" nicht gefehlt. Doch die Analyse aller vorliegenden Konzepte - von den Wurmlöchern bis hin zur Stringtheorie förderte bis jetzt vor allem die Einsicht zutage, daß momentan noch keines von ihnen tauglich ist.

So erinnern derzeit auch alle Versuche, die Zukunft des Alls vorherzusagen, an die Wandlungen der Mode für Rocklängen: Mal dehnt es sich in alle Ewigkeit aus, mal droht es sich dereinst wieder zusammenzuziehen, mal bleibt es unverändert. Auch Hawkings neueste Theorie, die von einem ewig expandierenden Universum ausgeht, ist nicht viel mehr als eine intelligente Spekulation, da er die entscheidenden Größen in diesem Spiel genausowenig kennt wie seine Kollegen: Niemand weiß, wieviel Masse eigentlich im Universum vorhanden ist, und keiner kennt die kosmologische Konstante.

Die Kosmologen stünden vor einem ähnlichen Dilemma wie die Elementarteilchenphysiker, meint Gerhard Börner. Beide verfügen eigentlich über ein gut funktionierendes "Standardmodell" der Welt, das viele Erscheinungen mit verblüffender Genauigkeit beschreibt - und das doch grundlegende Fehler aufweisen muß, da es wichtige Faktoren nicht oder grundsätzlich falsch beschreibt. Abweichungen vom normalen Weltbild werden daher geradezu begierig gesucht, schließlich könnten sie einen Hinweis zur Lösung bisher unlösbarer Probleme liefern.

Die Supernova-Messungen, die auf eine kosmologische Konstante hinweisen, könnten ein Schritt in diese Richtung sein. Ob sich diese Beobachtungen allerdings erhärten lassen, müssen weitere Messungen zeigen. Sowohl die amerikanische Raumfahrtagentur Nasa als auch ihr europäisches Gegenstück Esa wollen in der kommenden Dekade je einen Satelliten ins All schicken, der genauere Daten über die Expansion des Alls liefern soll. So wird also Einsteins größte Eselei die Physiker und Astronomen noch lange quälen. Vielleicht hat am Ende doch der englische Publizist John B. S. Haldane recht: "Das Universum ist nicht nur seltsamer, als wir uns vorstellen, sondern seltsamer, als wir uns vorstellen können."

(C) DIE ZEIT 12.03.1998 Nr.12

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