Eric Hand beschreibt in seinem News Feature “The Test of Inflation” (nature 458, 16 April 2009, pp 820-824) die spannende Geschichte der Entwicklung der Big-Bang-Theorie und der Anstrengungen, empirische Evidenz zu finden für die Idee der “Inflation”, also der Annahme, dass das Universum kurz nach dem Urknall erst sehr schnell expandiert ist, dann seine Ausdehnung abgebremst hat und nun nur noch mit einer geringen Rate weiter expandiert.

Am Rande stellt Hand die konkurrierende Theorie der Ekpyrosis vor. Nach dieser ist der Big Bang nicht der Beginn des Universums überhaupt, sondern die Kollision zweier dreidimensionaler Universen innerhalb eines zehndimensionalen Raumes. In diesem Raum pendeln die dreidimensionalen Universen hin und her wie “Wäschestücke an Wäscheleinen” und stoßen alle paar trillionen Jahre zusammen.

Persönlich gefällt mir das Bild von den Wäscheleinen besser als das Luftballon-Bild der Inflation. Aber das tut hier nichts zur Sache. Beide Vorstellungen sind dem Alltagsverständnis ungefähr gleich fremd, ob es sich um einen vielleicht vier-dimensionalen Raum handelt, indem unser dreidimensionales Universum erst sehr schnell und dann langsamer expandiert, oder ob es ein zehndimensionaler Raum ist, in dem zwei dreidimensionale Universen flattern und kollidieren, ist aus dieser Sicht gleichrangig.

Die Ekpyrosis-Theorie hat gegenüber der Inflationstheorie den Vorteil, dass sie weder die Singularität ganz am Anfang des Universums beschreiben muss, noch die Ursache für eine Abbremsung der Inflation finden muss. Insofern ist es für den Außenstehenden verwunderlich, dass sie so wenige Anhänger hat. “Most theorists would say that inflation is still the best game in town.” schreibt Hand. Unter den Gründen, die Hand von Wissenschaftlern genannt bekommt wenn er sie fragt, warum sie die andere Theorie ablehnen, sind nur wenige wissenschaftliche Fakten. Generationenprobleme werden genannt (und verworfen, da mit Steinhardt und Turok zwei Wissenschaftler heute der Ekpyrosis-Theorie anhängen, die vor 30 Jahren zu den Mitbegründern der Inflations-Theorie gehörten). Ein Princeton-Wissenschaftler wird mit den Worten zitiert: “There are people who like making a mess, and there are people who like cleaning it up.” – auch kein wirklich wissenschaftliches Argument.

Das Problem ist, dass den Wissenschaftlern Daten fehlen, die eine der beiden Theorien bestätigen – oder die für beide problematisch sind. Deshalb wird nun Planck losgeschickt, ein Raumschiff, das die Fluktuationen der Hintergrundstrahlung messen wird. Man darf gespannt sein, ob die Messungen wirklich eine der beiden Theorien bestätigen oder widerlegen wird – vielleicht werden die Daten auch nur neue Herausforderungen für beide Theorien bereithalten.

Denn wirklich bestätigt werden kann eine solche Theorie nicht. Wir können nicht zurückreisen in der Zeit um nachzusehen. Das wirft die Frage nach dem Status solcher wissenschaftlichen Theorien überhaupt auf.

Baas van Fraassen ist der Ansicht, dass uns die Wissenschaften mit Theorien ausstatten sollten, die empirisch adäquat sind. Diese Ansicht wird inzwischen von vielen Wissenschaftstheoretikern und wissenschaftstheoretisch arbeitenden Naturwissenschaftlern geteilt. Ob sie in irgendeiner Weise realistisch interpretiert werden können, ist dabei ohne Belang – wichtig ist, dass die Theorien mit den Ergebnissen von Experimenten (besser: von empirischen Forschungen) übereinstimmen. Für die Quantentheorie und verwandte physikalische Systeme ist diese Denkweise äußerst hilfreich: Ob es die Elementarteilchen in irgendeinem realistisch gemeinten Wortsinne „gibt” ist belanglos, wesentlich ist, dass über diese theoretischen Entitäten mathematische Beschreibungen erstellt werden können, die die tatsächlich beobachteten Phänomene und Effekte adäquat wiedergeben.

Wissenschaftliche Realisten widersprechen dieser Ansicht. Das Ziel der Theorien ist es nach ihrer Ansicht, Erklärungen für das So-Sein der Welt zu liefern. Erklärungen sind aber nur möglich, wenn man annimmt, dass die theoretischen Entitäten tatsächlich auf Dinge in der Welt referenzieren, deren kausale Kräfte einerseits von Theorien beschrieben werden können, und andererseits die beobachtbaren Effekte und Phänomene hervorrufen.

Die Kosmologie scheint sich nun in einer besonders schwierigen Lage hinsichtlich ihres Status als realistisch oder instrumentalistisch deutbare Theorie zu befinden. Einerseits sind ihre Entitäten in viel höherem Maße unbeobachtbar als z.B. Elektronen. Effekte, die auf die Existenz von einzelnen Elektronen zurückzuführen sind, lassen sich immer wieder reproduzieren. Man kann Elektronen verwenden, um andere Effekte im Experiment zu erzeugen. Dies ist für die Entitäten, die für die Beschreibung der Situation kurz nach dem Urknall benötigt werden, ausgeschlossen. Insofern wäre eine instrumentalistische Deutung kosmologischer Theorien angemessen.

Andererseits – was bleibt wirklich von einer kosmologischen Theorie, wenn sie nicht als erklärende Theorie gedeutet wird, wenn sie nicht mit einem Anspruch von “So war es – und deshalb ist unsere Welt heute so, wie sie ist.” vorgetragen würde?

Scheinbar ist gerade der Sektor des naturwissenschaftlichen Theoriengebäudes, der sich auf immer der direkten Nachprüfbarkeit seiner realistischen Interpretation verweigern muss, am meisten auf eine realistische Interpretation angewiesen, um überhaupt sinnvoll zu sein. Aber wenn das so ist, müssen dann nicht alle physikalischen Theorien, die in der Kosmologie verwendet werden, realistisch gedeutet werden?

Kommentare (9)

  1. #1 Christian W
    April 30, 2009

    Ich bin ehrlich: ich verstehe nach dem 5. Absatz nicht mehr, wovon Sie reden. Aber das hat nichts mit Ihnen zu tun, das geht mir häufiger so. Zu allem, was sie davor schreiben, möchte ich sagen: Sehr schön, das klingt spannend und neu für mich. Ich werde diese Ekpyrosis-These jedenfalls im Auge behalten.
    Ich freue mich jedenfalls, dass Sie diesmal auf Fehlbe-/verurteilungen des Werkzeugkastens Wissenschaft verzichtet haben. Naja, vielleicht sind die ja nur im für mich nicht verständlichen unteren Teil geschickt versteckt (ein Scherz, nicht böse gemeint 😉 ).

    Grüße
    Christian W

  2. #2 Ulrich Berger
    April 30, 2009

    Rein zufällig habe ich den hier besprochenen Nature-Artikel einzig und allein zum privaten Gebrauch unter http://www.wu.ac.at/usr/vw5/uberger/inflation.pdf auf meinem server abgespeichert.

  3. #3 Michael Michaelis
    Mai 3, 2009

    > Ich bin ehrlich: ich verstehe nach dem 5. Absatz nicht mehr, wovon Sie reden.

    Aha. Ich dachte schon, ich stehe da allein.

    Ich kapiere wirklich nicht, worum es hier geht. Auf den ersten Blick hört sich das für mich nach esoterischer Spinnerei an, die sich hinter einem wissenschaftlichen Käppchen verbirgt. Andererseits veröffentlicht der Herr Friedrich ja in den Science-Blogs – da muß ja wohl was dahinter stehen? Und nein: das ist keine rhetorische Frage.

  4. #4 Jörg Friedrich
    Mai 4, 2009

    @Christian W: Das freut mich. (Allerdings wäre ich froh, wenn ich auch die übrigen Absätze verständlich formuliert hätte)

    @Ulrich Berger: Danke für den Link.

  5. #5 Jörg Friedrich
    Mai 5, 2009

    @Michael Michaelis: Erst mal Entschuldigung, der Kommentar war im Spam-Filter gelandet, ich habe keine Ahnung, warum.

    Im zweiten Teil des Textes geht es um ein wissenschaftstheoretisches Problem, – ganz kurz gesagt – die Debatte zwischen Realisten, die sagen, dass auch die unbeobachtbaren Entitäten wissenschaftlicher Theorien als existierend angesehen werden müssen, und den Instrumentalisten, die der Meinung sind, dass das nicht nötig ist, da Theorien als reine Instrumente zur Vorhersage von empirischen Befunden angesehen werden sollen.

  6. #6 Michael Michaelis
    Mai 5, 2009

    Erklärungen sind aber nur möglich, wenn man annimmt, dass die theoretischen Entitäten tatsächlich auf Dinge in der Welt referenzieren, deren kausale Kräfte einerseits von Theorien beschrieben werden können, und andererseits die beobachtbaren Effekte und Phänomene hervorrufen.

    Ich habe diesen Satz jetzt bestimmt zehnmal gelesen – und verstehe ihn immer noch nicht.

    Wenn Du Dich als Kant-Anhänger der Phänomenologie verbunden fühlst – heraus damit, da könnte ich endlich wieder mitreden. Wenn Du die “wissenschaftliche Methode” ihrer “gesellschaftlichen Praxis” gegenüber stellen willst: auch dann wäre ich mit dabei.

    So, wie sich das hier anhört, ist das aber ein verschwurbelter Wust von Thesen, die noch jeden dämlichen Esoteriker befeuern könnten (sorry: ich weiß schon, daß Du das so nicht meinst. Allein: Du kommst so rüber).

  7. #7 Stefan
    Juni 28, 2009

    Hmm, also die Infaltionstheorie hat den Vorteil, dass sie nur ein Universum braucht. Mehrere Universen heranzuziehen, um unser Universum zu erklären, klingt wenig elegant.

    Das Bild vom Luftballon wird man dadurch auch nicht los, denn dieses Bild bezieht sich ja nicht nur auf die Inflation allein, genausowenig muss die Inflationstheorie die Anfangssingularität erklären.

  8. #8 Gummibaum
    August 11, 2009

    Es besteht immer die Gefahr, wenn man sich in einem Fach zu gut auskennt formulierungstechnisch auf Glatteis zu gelangen. Man sollte sich jedoch in jedem Fall seine Rezipientengruppe vor Augen halten, um einen Anhaltspunkt für seine Vorgehensweise zu haben. Sprachliche Bilder sind ja nicht prinzipiell falsch, sie sollten nur der Verständlichkeit dienen und nicht weiterhin zur Komplikation beitragen. Umso mehr bei einem solch theoretischen Thema.

  9. #9 Siegmund
    September 20, 2009

    Das jemand ein Gegenmodell zur Urknalltheorie thematisiert und bekannt macht, finde ich sehr erfreulich. Die Theorie der Ekpyrosis finde ich auch sehr interessant. Kann es sein, das diese neue Theorie deshalb keinen Anklang findet, weil sie keinen Ursprung in sich trägt, jedenfalls ist das aus dem Artikel nicht zu entnehmen. Diesbezüglich hat die Singularität den Vorteil eines Anfangspunktes(Ursprung?), ist aber auch gleichzeitig ein Nachteil, wie dem Bericht zu entnehmen ist, da dieser nicht beschreibbar, und somit nicht mathematisch erfasst werden kann. Wenn das Universum aus der Singularität entstanden ist, muß es dieser entsprechen, ansonsten kann es auch nicht aus dieser entstanden sein. Ist die Singularität nicht unendlich klein? Wenn ja, dann ist sie mit dem Nichts gleich zu setzen, aus der ja alles entstanden sein soll, rein philosophisch betrachtet.