Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Einstein eine neue Energiequelle ein. Nach Hubbles Messungen verzichtete Einstein auf diesen Kunstgriff und nannte ihn »seinen größten Fehler«. Diese Änderung war jedoch nicht völlig falsch. Wir werden gleich sehen, dass Messungen aus jüngerer Zeit zeigen, dass der Term der kosmologischen Konstante, den er hinzufügte, tatsächlich notwendig ist, um Beobachtungen aus jüngerer Zeit zu erklären – obwohl die gemessene Größe, die für die vor kurzem festgestellte Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich ist, etwa eine Größenordnung größer ist als diejenige, die Einstein vorschlug, um es zum Stillstand zu bringen.
    Die Expansion des Universums war ein schönes Beispiel für das Zusammenspiel der deduktiven und der induktiven Physik. Einsteins Gravitationstheorie impliziert zwar, dass das Universum expandiert, doch erst seit der Entdeckung seiner Expansion hatten die Physiker ein Gefühl von Zuversicht, dass sie auf dem richtigen Weg waren.
    Heute bezeichnen wir die Zahl, die die gegenwärtige Expansionsgeschwindigkeit des Universums bestimmt, als Hubblekonstante . Sie ist eine Konstante in dem Sinne, dass die partielle Expansion überall im Raum dieselbe ist. Über die Zeit hinweg ist der Hubble-Parameter jedoch nicht konstant. Zu einem früheren Zeitpunkt, als das Universum heißer und dichter war und Gravitationseffekte stärker waren, expandierte es viel schneller.
    Die präzise Messung der Hubblekonstanten ist schwierig, da wir genau mit dem Problem der Trennung von Vergangenheit und Gegenwart konfrontiert sind, das wir zuvor schon angesprochen hatten. Wir müssen wissen, wie weit die rotverschobenen Galaxien entfernt sind, da die Rotverschiebung sowohl vom Hubble-Parameter als auch von der Entfernung abhängt. Diese ungenaue Messung war die Ursache der einen Faktor von Zwei betragenden Unsicherheit bezüglich des Alters des Universums, die ich zu Beginn dieses Kapitels erwähnte. Wenn die Messungen des Hubble-Parameters eine Unsicherheit von einem Faktor von Zwei aufwiesen, würde dasselbe für das Alter des Universums gelten.
    Diese Auseinandersetzung ist nun weitestgehend beendet. Der Hubble-Parameter wurde von Wendy Freedman von den Smithsonian Astronomical Observatories, ihren Mitarbeitern und anderen gemessen, und die Expansionsgeschwindigkeit liegt bei etwa 22 Kilometern pro Sekunde für eine Galaxie, die eine Million Lichtjahre entfernt ist. Aufgrund dieses Werts wissen wir jetzt, dass das Universum ungefähr 13,75 Milliarden Jahre alt ist. Dies mag das Alter um 200 Millionen Jahre unter- oder überschätzen, aber nicht um einen Faktor Zwei. Obwohl das immer noch nach einer Menge Unsicherheit klingen mag, ist diese Spannweite zu klein, um sich auf unser heutiges Verständnis wesentlich auszuwirken.
    Zwei weitere zentrale Beobachtungen, die mit den Vorhersagen gut übereinstimmten, bestätigten die Urknalltheorie ebenfalls. Eine Klasse von Messungen, die sowohl auf den Vorhersagen der Elementarteilchenphysik als auch der Allgemeinen Relativitätstheorie beruhte und daher beide bestätigte, betraf die Dichte verschiedener Elemente im Kosmos, wie z.B. Helium und Lithium. Die Menge dieser Elemente, die die Urknalltheorie vorhersagt, stimmt mit den Messungen überein. Dies ist in gewissem Sinne nur ein indirekter Beweis, und umfassendere, auf der Kernphysik und der Kosmologie beruhende Berechnungen sind erforderlich, um diese Werte zu berechnen. Trotzdem wäre diese Übereinstimmung der Häufigkeit vieler verschiedener Elemente mit den Vorhersagen ein unwahrscheinlicher Zufall, wenn die Physiker und Astronomen nicht auf dem richtigen Weg wären.
    Als der Amerikaner Robert Wilson und der deutschstämmige Arno Penzias 1964 zufälligerweise die 2,7 Grad Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entdeckten, war das eine weitere Bestätigung der Urknalltheorie. Um diese Temperatur ins rechte Licht zu rücken, sollte man wissen, dass nichts kälter als der absolute Nullpunkt ist, und dieser liegt bei null Grad Kelvin. Die Strahlung des Universums ist weniger als drei Grad wärmer als die absolute Grenze dafür, wie kalt etwas überhaupt werden kann.
    Die Zusammenarbeit und das Abenteuer von Robert Wilson und Arno Penzias (wofür sie 1978 den Nobelpreis erhielten) war ein prächtiges Beispiel dafür, wie Naturwissenschaft und Technik manchmal zusammenarbeiten, um Ergebnisse zu erzielen, die jenseits aller Vorstellungskraft liegen. Als AT&T noch ein Telefonmonopol besaß, tat es etwas ganz