In Barrows Vortrag fand ich besonders seinen Blick auf die fundamentalen Eigenschaften des Universums sehr interessant. Das Universum ist alt, leer, dunkel und groß. Aber warum?
Es ist alt, weil wir es sind, die die Frage nach dem Alter stellen. Wir sind Menschen und unser Leben basiert auf Kohlenstoff und anderen schweren Elementen. Diese Elemente können nur im Inneren von Sternen entstehen. Wir müssen also abwarten, bis sich die ersten Sterne bilden konnten, bis diese Sterne ihr Leben beendet haben und die neu geschaffenen Elemente ins All gepustet haben und dann wieder neue Sterne und Planeten entstehen können, die nun die Elemente enthalten, aus dehnen Leben entstehen kann. Und das dauert. Es ist also nicht überraschend, dass das Universum fast 14 Milliarden Jahre alt ist. Wäre es jünger, dann wären wir noch nicht da, um die Frage nach dem Alter stellen zu können.
Und weil es so alt ist, ist es auch so groß. Es ist ja die ganze Zeit expandiert. Deswegen ist es auch so leer. Die Expansion sorgt dafür, dass sich alles von allem entfernt (mit den oben erwähnten Einschränkungen) und das leere All dazwischen immer größer wird. Rechnet man die Massendichte für das gesamte Universum aus, dann entspricht sie ungefähr einem Planeten pro Kubiklichtjahr oder einem Stern pro 1000 Kubiklichtjahre oder einer Galaxie pro Million Kubiklichtjahr. Und weil das Universum im wesentlichen leer ist, ist es auch dunkel und kalt. Die Hintergrundtemperatur beträgt momentan knapp 3 Kelvin, also nur noch 3 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Selbst wenn man die gesamte Materie im All in Energie umwandeln würde, könnte man es nur auf 15 K aufheizen. Es wäre immer noch kalt und dunkel.
Wie gesagt: Das Universum muss so sein. Wäre es nicht so, dann könnten wir diese Fragen nicht stellen. Ein lebensfreundliches Universum muss riesig, alt, dunkel, kalt und fast leer sein. Das klingt ein wenig seltsam, was die Sache aber nur noch faszinierender macht.
Das gilt auch für die kosmologische Konstante. Dieser Begriff ist eng mit der dunklen Energie zusammen. Es geht um die Frage, ob sich die Ausdehnungsrate des Universums ändert. Albert Einstein war ja damals der Meinung, dass das All sich weder ausdehnt noch zusammenzieht sondern immer statisch bleibt. Deswegen hat er einen bestimmten Parameter in den Gleichungen seiner allgemeinen Relativitätstheorie gleich Null gesetzt, damit die Gleichungen genau dieses Verhalten beschreiben. Das war aber eine willkürliche Wahl, es hätte genau so gut anders sein können. Der Wert dieses Parameters, der “kosmologische Konstante” genannt wird (obwohl das ein wenig irreführend ist, weil der Wert nicht konstant ist) bestimmt, wie lange und wie schnell sich das All ausdehnt. Ist die kosmologische Konstante klein, dann gewinnt die gesamte Gravitationskraft der Materie im Universum schnell die Oberhand und der Kosmos kollabiert wieder. Es bleibt nicht genug Zeit, damit sich Sterne und Planeten und Leben bilden kann. Ist die Konstante groß, dann erfolgt die Expansion schnell, so schnell, dass sich das ursprüngliche Gas gar nicht erst zu Galaxien und Sternen zusammenfinden kann. Dieses All dehnt sich immer weiter und immer schneller aus, ohne das darin irgendwas relevantes passiert. Damit Leben (so wie wir es kennen) entstehen kann, darf die Expansion des Alls weder zu schnell noch zu langsam erfolgen.
Albert Einstein und Edwin Hubble am Mt. Wilson-Observatory, 1931 (Bild: Archives, California Institute of Technology)
Um herauszufinden, ob sich die Ausdehnung des Universums verlangsamt oder beschleunigt, wurden in den 1990er Jahren jede Menge Beobachtungen gemacht, die zur Entdeckung der dunklen Energie führten. Das Universum dehnt sich tatsächlich immer schneller und schneller aus. Am Anfang war es von der Strahlung dominiert und dehnte sich kurzfristig recht schnell aus. Dann kam die lange, ruhige Phase, in der die normale Materie bestimmte, was im All passiert. Die Expansion verlangsamte sich und wurde linear mit dem Abstand größer; soll heißen: Ein doppelt so weit entfernter Galaxienhaufen bewegt sich auch doppelt so schnell von uns weg. Das war im wesentlichen das, was Edwin Hubble und seine Kollegen in den 1920er Jahren entdeckt haben. Was aber erst die neuen Daten aus den 1990er Jahren gezeigt haben, war der “Gangwechsel” des Universums vor ein paar Milliarden Jahren. Je weiter die Materie im All ausdünnt, desto geringer wird die Gravitationskraft zwischen ihnen und ihr Einfluss auf die Expansion. Und vVor ungefähr 5 Milliarden Jahren war dieser Einfluss gering genug, dass die dunkle Energie das Ruder übernommen konnte. Wir wissen zwar noch nicht, um was es sich bei diesem Phänomen genau handelt, aber sie war nun der dominierende Faktor im All und sorgte dafür, dass es sich immer schneller und schneller ausdehnt.
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