Missing Link: Die kosmische Inflation – der Knall des Urknalls

Seite 4: Eine spektakuläre Blamage

Eine andere Form der Quantenfluktuationen betrifft die Raumzeitkrümmung selbst. So soll die Raumzeit auf submikroskopischen Skalen örtlichen und zeitlichen Schwankungen ihrer Krümmung unterliegen. Dies bedeutet anders ausgedrückt, dass sie von winzigen Gravitationswellen durchzogen ist. Die Inflation müsste auch diese auf riesige Abmessungen vergrößert haben, die später das Plasma der Hintergrundstrahlung durchliefen. Aufgrund der Art, wie Gravitationswellen schwingen (sie stauchen und strecken einen Querschnitt des Raums, den sie durchlaufen, abwechselnd in Breite und in Höhe) sorgen sie dafür, dass sie an Elektronen gestreutes Licht in einer charakteristischen Weise polarisieren.

Polarisierung von Licht bedeutet, dass die Lichtwellen nur in einer Ebene schwingen. Normalerweise schwingen die Lichtwellen einer leuchtenden Quelle je Photon in beliebigen Ebenen, das Licht ist unpolarisiert. Begegnet ein Photon einem Elektron, so kann es an diesem abgelenkt, "gestreut" werden. Blickt man auf so ein Elektron und es kommen unpolarisierte Photonen von links, so können diese in beliebigen Ebenen mit auf-ab- und vor-zurück-Anteilen schwingen (siehe folgendes Bild). Wenn ein Photon dann am Elektron genau auf den Beobachter zu gestreut wird, fällt die Tiefenkomponente weg, weil die Schwingungsrichtung der Welle senkrecht zur Bewegungsrichtung liegen muss: Es bleibt nur die auf-ab-Komponente der Schwingung übrig, das Licht ist senkrecht polarisiert. Kommt das Photon von oben, so kann es links-rechts und vor-zurück-Komponenten haben und wenn es auf den Beobachter zu gestreut wird, verbleibt nur die links-rechts-Komponente. Das ist zunächst einmal die gewöhnliche Thomson-Streuung und die polarisiert zwar Licht aus einer bestimmten Richtung, aber nicht ein Gemisch aus allen Richtungen, wie in der Hintergrundstrahlung.

B-Moden der Polarisation sind wirbelförmige Polarisationsmuster, die durch primordiale Gravitationswellen, die durch die Inflation auf kosmologische Ausmaße vergrößert wurden, in der kosmischen Hintergrundstrahlung erzeugt werden sollten. Die drei Grafiken zeigen ihre Entstehung.
Oben links: Grundlage ist die Thomson-Streuung von Licht an Elektronen. Wenn Licht mit beliebiger Schwingungsebene am Elektron zum Beobachter hin gestreut wird, wird die Schwingungsrichtung in radialer Richtung (in Richtung des Beobachters bzw. von ihm weg) unterdrückt. Nur die tangentialen Komponenten (in der Bildebene) können gestreut werden. Wenn das Licht aus allen Richtung auf das Elektron trifft, hat das Summenlicht, das den Beobachter erreicht, keine bevorzugte Schwingungsrichtung, es ist nicht polarisiert.
Oben rechts: durchläuft das Licht jedoch eine Gravitationswelle, so staucht diese den Raum und mit ihm das durchlaufende Licht in einer Richtung und streckt es in dazu senkrechter Richtung. Gestauchtes Licht ist blauverschoben und hat mehr Energie als rotverschobenes. Dadurch dominiert im Summenlicht das blauverschobene Licht mit seiner Schwingungsrichtung. Es gibt eine bevorzugte Polarisationsrichtung.
Unten: Wegen der Ausdehnung der Gravitationswelle ist die Polarisationsrichtung ortsabhängig verschieden und es ergeben sich wirbelartige Muster (Abfolge gedrehter Pfeile, vergleiche folgendes Bild).

(Bild: Autor)

Kommt nun jedoch eine Gravitationswelle hinzu, die den Raum beispielsweise gerade in rechts-links-Richtung staucht, so werden Lichtwellen, die aus diesen Richtungen auf das Elektron zulaufen und zum Beobachter hin gestreut werden, blauverschoben, ihre Wellenlänge ist verkürzt und dies erhöht ihre Photonenenergie. Wellen, die von oben oder unten kommen, werden gleichzeitig gestreckt, also zu längeren Wellenlängen hin rotverschoben und haben geringere Energien. Dementsprechend erscheinen die aus Richtung der Stauchung kommenden gestreuten Wellen heller und ihre Polarisation überwiegt im Summenlicht. Betrachtet man die Gravitationswelle an der Oberfläche des Plasmas der Hintergrundstrahlung in ihrer gesamten Ausdehnung, so ergibt sich eine Art Wirbelmuster der Polarisation, das "B-Moden" genannt wird (daneben gibt es noch die "E-Moden", die kein Wirbelmuster zeigen, und die nicht auf Gravitationswellen, sondern auf schlauchförmig ausgedehnte Dichteschwankungen in der Materie zurückgehen).

Veranschaulichung der beiden möglichen Polarisationsmuster, die in der Hintergrundstrahlung erwartet werden. Oben die radialen und tangentialen E-Moden, die an linearen (schlauchförmigen) Verdichtungen in der Hintergrundstrahlung entstehen. Diese wurden beobachtet und haben nichts mit Gravitationswellen oder der Inflation zu tun.
Unten die wirbelförmigen B-Moden, nach denen noch gesucht wird. Sie würden Zeugnis über die Inflation ablegen.

(Bild: Kamionkowsky & Koletz, 2015)

Nach solchen B-Moden der Polarisation sucht man in der Hintergrundstrahlung und im März 2014 vermeldete das BICEP2-Radioteleskop in der Antarktis, es habe sie gefunden. Guth und Linde (inzwischen Professor an der Universität Stanford, Kalifornien) waren zur feierlichen Verkündung des Ergebnisses eingeladen, das als eindeutiger Beleg für die Korrektheit der Inflationstheorie gewertet wurde, und konnten ihr Glück kaum fassen, dass sie die experimentelle Bestätigung noch erleben durften. Leider hielt das Ergebnis nur bis zum Mai, als sich herausstellte, dass die Polarisation von Staub in der Milchstraße verursacht wurde, dessen längliche Teilchen sich wie Eisenfeilspäne im Magnetfeld der Milchstraße ausgerichtet hatten, was ebenso zu B-Moden-artigen Mustern von sie durchlaufenden Mikrowellen führt. Angesichts des großen Tamtams, das durch die Weltpresse gegangen war (inklusive auf Gravitationswellen surfenden Einsteins im ZDF Heute-Journal – weil es zugleich der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen gewesen wäre) eine große Blamage für das BICEP2-Team.

Man hatte in der Folge gehofft, in den Messungen des PLANCK-Weltraumteleskops B-Moden nachweisen zu können, aber es konnte nur eine Obergrenze für den Anteil der B-Moden gefunden werden – ein Nullanteil ist dadurch nicht ausgeschlossen. Derzeit laufen weitere Beobachtungen (BICEP3 und Keck Array) am Südpol, um B-Moden nachzuweisen. Es gibt Hinweise auf einen kleinen Anteil von B-Moden, aber die Messdaten sind noch nicht signifikant genug.

Ist die Inflation alternativlos?

Die Inflation ist also durchaus falsifizierbar, wie es sich für eine Theorie ziemt, aber der restlos überzeugende Beleg der Inflation steht noch aus. Dennoch wird sie von den meisten Kosmologen als beste Erklärung für die Entstehung des Universums betrachtet. Ist sie denn die einzig mögliche Lösung des Horizont- und Flachheitsproblems? Nein, es gibt mindestens drei Alternativen, die auch noch genannt werden müssen.

Erstens könnte die Lichtgeschwindigkeit im frühen Universum theoretisch viel höher gewesen sein – so hoch, dass ein Strahlungsaustausch und Temperaturabgleich auch über Entfernungen möglich war, die bei der heutigen Lichtgeschwindigkeit niemals in Kontakt getreten sein können. Dies würde allerdings nur das Horizontproblem lösen und es gibt im beobachtbaren Universum keinerlei Hinweis auf eine Veränderung der Lichtgeschwindigkeit. Messungen der Feinstrukturkonstante im Licht ferner Quasar, in die auch die Lichtgeschwindigkeit mit eingeht, erbrachten keinen eindeutigen Nachweis einer vor 10 Milliarden Jahren abweichenden Lichtgeschwindigkeit. Was allerdings sehr beschränkte Aussagefähigkeit über die Lichtgeschwindigkeit bei den extremen Temperaturen in den ersten Bruchteilen des Universums hat.

Vor der Entdeckung der Dunklen Energie waren Modelle eines zyklischen Universums sehr beliebt. In einem solchen Universum würde die Expansion irgendwann zum Stillstand kommen und das Universum wieder kollabieren, um danach aus dem Feuerball neu geboren zu werden. Während der Verlangsamung der Expansion vor dem Kollaps könnte das Vorgänger-Universum seine Temperatur durch Strahlung ausgleichen und bei einem "Big Crunch", der in den "Big Bang" des nächsten Universums übergeht, mit ausgeglichener Temperatur durchstarten und das Horizontproblem hätte sich erledigt. Wenn die Temperatur dabei nicht bis in die Größenordnung der GUT-Vereinheitlichung stiege, gäbe es auch kein Monopolproblem. Das Flachheitsproblem bliebe allerdings bestehen und ein zyklisches Universum hätte auch ein Problem mit der Entropie, die beim Crunch irgendwie von einem extrem hohen Wert wie durch Zauberhand auf einen extrem niedrigen reduziert werden müsste, denn unser Universum begann mit einer geringen Entropie, deren Entwicklung hin zu größeren Werten die Zeitrichtung bestimmt – und weder Kollaps noch Big Crunch verringern die Entropie (dazu mehr in einer späteren Folge).

Schließlich gibt es im Rahmen der M-Theorien (Varianten der Stringtheorien) die Idee, dass es zwei parallele Membranen in einer höheren Dimension gebe; eine davon sei unser Universum (mit seinen drei Raumdimensionen) und die andere ein Paralleluniversum, durch eine vierte Dimension vom unsrigen getrennt (in der M-Theorie gibt es hinreichend viele Dimensionen). Diese beiden Membranen sollen regelmäßig aufeinander zu pendeln und dann heftig voneinander abprallen, nur um das Spiel zu wiederholen. Wenn sie kollidieren, käme es zu einem Urknall in den Membranen. Da die Kollision auf der gesamten Membranfläche gleichzeitig stattfände, würde der Urknall überall im Raum stattfinden, so wie wir es beobachten. Dieses "Ekpyrotisches Universum" (altgriechisch "ekpyrosis" = "Feuersbrunst") genannte Modell von Paul Steinhardt, Neil Turok, Justin Khoury und Burt Ovrut soll imstande sein, eine kosmische Hintergrundstrahlung hervorzubringen, es wäre notwendig flach und die Temperatur in den Membranen hätte sich über ewige Zeiten thermisch längst ausgeglichen. Es benötigt keine Inflation und produziert kein Multiversum. Allerdings auch keine Strukturen, die vergrößerten Quantenfluktuationen gleichen. Stattdessen sollte es hochfrequente Gravitationswellen produzieren, die sich vielleicht nachweisen lassen.

Zu schön, um falsch zu sein

Die Inflation ist extrem attraktiv, um einige Probleme der Kosmologie zu lösen, und ihre Ergebnisse zur Struktur der Hintergrundstrahlung sprechen für sie, aber sie ist noch nicht mit fliegenden Fahnen bestätigt, wie es der Nachweis von B-Moden wäre. Sie ist jedoch die einzige Theorie, die erklären kann, woher die unvorstellbar große Menge von Materie und Strahlung im Universum stammt, und ohne sie blieben das Horizont- und das Flachheitsproblem der Urknalltheorie offen und diese wäre nicht vollständig. Die Inflationstheorie liefert als potenzielle Multiversumstheorie sogar Erklärungsansätze für die Feinabstimmung unseres Universums, auch wenn viele Physiker diese nicht überzeugend finden – dies ist auch eine philosophische Frage.

Andrei Linde hat über die Inflation gesagt: "Es fiel schwer, diese einfache Erklärung zahlreicher kosmologischer Probleme zu verwerfen. Ich hatte einfach das Gefühl, dass es ausgeschlossen war, dass Gott diese hervorragende Möglichkeit zur Vereinfachung Seiner Arbeit, der Schöpfung des Universums, nicht genutzt haben soll." Tatsächlich braucht es als Zutat für ein inflationär wachsendes Universum nicht einmal einen Schöpfer, sondern nur ein winziges Stückchen falschen Vakuums. Und die Quantenfluktuationen.

Im Allerkleinsten ist womöglich nichts statisch, nicht das Higgsfeld und vielleicht auch nicht Raum und Zeit – nicht einmal ihre Abwesenheit, das Nichts. So könnte beständig Raumzeit spontan aus nichts entstehen und sofort wieder verschwinden, so wie virtuelle Teilchen im Vakuum entstehen und wieder vergehen. Das falsche Vakuum, das für die Inflation nötig ist, benötigt eine irrsinnig hohe Energiedichte, die Masse eines ganzen Universums in einem submikroskopischen Volumen. Zwar können gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation Schwankungen der Energiedichte umso größer ausfallen, je kürzer sie bemessen sind, aber die Entstehungswahrscheinlichkeit für die eines falschen Vakuums ist unsagbar winzig. Wenn jedoch in ewiger Wiederholung immer wieder Raumzeit mit zufälliger Vakuumenergie entsteht, dann MUSS irgendwann unvermeidlicherweise auch der unwahrscheinlichste Fall eintreten und einmal ein winziges Quäntchen falschen Vakuums mit hinreichender Energiedichte aus dem Nichts hervorgehen, das sofort inflationär zu wachsen anfängt – und dann gibt es kein Halten mehr und es entsteht ein Uni- oder gar ein Multiversum. Man mache sich klar, was es bedeuten würde, wenn die Inflation nie endete und der Raum jenseits unseres Universums seit mindestens 13,8 Milliarden Jahren alle 10^-35 s um den Faktor 10³⁰ wüchse.

So ist die Antwort auf die Frage, "warum ist da etwas und nicht nichts?" vielleicht einfach: Weil Nichts instabil ist und in der Ewigkeit alles mögliche Wirklichkeit werden muss. Vielleicht war unser Universum unvermeidlich. Diese Schlussfolgerung liegt nun aber wirklich außerhalb der empirischen Naturwissenschaft und ist als reine Gedankenspielerei zu betrachten.