HKHPD 05 05

Warum gibt es ein Universum, mit seiner zeitlichen und räumlichen Ordnung? Warum gibt es Atome, Moleküle, Sonnensysteme und Galaxien? Wie genau sind die physikalischen Gesetze, die sie kontrollieren? Und warum bricht das Universum nicht unter seinem eigenen Gewicht zusammen, oder fliegt mit der Geschwindigkeit des Lichts auseinander? -Wie fein ist es eingestellt? Was ist die kosmologische Konstante? Was haben einige der führenden Physiker der Welt darüber herausgefunden?

Michael B. Green, an der Universität von London, ist Experte für Superstrings. Er schreibt in Scientific American, Bd. 255, Sept. 1986 Seite 56: "Warum ist die kosmologische Konstante so dicht bei Null? Die Konstante beschreibt den Teil der Krümmung des Universum, der nicht von der Materie verursacht wird. Man hat seinen Wert bestimmt. Er ist Null innerhalb eines Teiles zu 10¹²⁰. Das ist das genaueste Maß in der ganzen Wissenschaft."

John D. Barrow ist Professor für Astronomie an der Universität von Sussex, England. Er sagt in seinem Buch Theories of Everything (Theorien von Allem) (1991:104, 105):

"Was ist die kosmologische Konstante heute? Wir wissen von den Wirkungen, die es auf die Ausdehnungsgeschwindigkeit entfernter Galaxien hätte, dass, wenn es sie gibt, ihr numerischer Wert unendlich klein sein muss, weniger als 10^-55 je cm². Solch eine Einheit ist nicht sehr anschaulich. Es ist aufschlussreicher, wenn man ihre Größe mit der Grundeinheit der Welten der Elementarteilchen und der Gravitation vergleicht.

Die kosmologische Konstante muss kleiner als 10^-118 sein, wenn man sie mit der Planck-Länge vergleicht. Dass es so etwas Kleines überhaupt gibt, ist in der ganzen Geschichte der Wissenschaft beispiellos. Irgendeine Quantität, die so dicht durch Beobachtung bei Null sein muss, muss genau Null sein. Das glauben viele Kosmologen. Aber warum?

"Was wir anscheinend brauchen, ist entweder ein Prinzip, das man ‚einsetzt und vergisst‘. Oder die kosmologische Konstante muss von Anfang an so klein einstellt sein, dass sie sicherstellt, dass die kosmologische Konstante winzig klein bleiben muss, wenn sich das Universum bis zu seiner heutigen Größe von fünfzehn Milliarden Lichtjahren ausgedehnt hat." - Barrow, J. D. (1991:105).

Martin Rees, an der Universität von Cambridge, England, ist einer der bedeutendsten Astrophysiker. John Gribbin ist Physiker und Wissenschafts-Schriftsteller. Sie berichten: "Das Universum hat sich seit der 10^-43 Sekunde nach der Zeit ‚Null‘ ausgedehnt. Aber wir können nicht herausfinden, was zwischen diesem Punkt Null und 10^-43 s geschehen ist. Wenn wir zu diesem Augenblick zurückgehen, das heißt, so dicht wie möglich an das, was wir als den Anfang bezeichnen, muss das Universum bis zu 10^-60 flach gewesen sein. Die Flachheit ist deshalb die am genausten ermittelte Zahl in der ganzen Physik. Deshalb muss das Universum außerordentlich genau eingestellt worden sein, damit Zustände entstehen konnten, in denen Sterne, Galaxien, und Leben entstehen konnten." (1991:33).

Martin Rees und John Gribbin: "Wäre das reiner Zufall, wäre das solch ein Glücksfall gewesen, dass alle anderen Zufälle im Universum daneben erbleichen würden. Viel vernünftiger scheint es zu sein, wenn man annimmt, dass es die physikalischen Gesetze irgendwie erforderten, dass das Universum genau flach sein muss. Denn die Flachheit ist die einzige besondere Dichte. Kein anderer Wert hat irgendeine kosmische Bedeutung. Es scheint vernünftiger zu sein, anzunehmen, dass das Universum mit genau der kritischen Ausdehnungs-Geschwindigkeit geboren werden musste, als zu glauben, dass ein blinder Zufall dafür gesorgt hat, dass es mit einer Abweichung von nicht mehr als 10^-60 vom kritischen Wert, begonnen hat." (1991:33, 34).

"Aber wenn wir das Universum genau mit Einsteins mathematischer Beschreibung von Raum und Zeit beschreiben möchten, und wenn wir erkennen, wie entscheidend die Ausdehnungs-Geschwindigkeit während des Urknalles gewesen sein muss, dann stellen wir dies fest: Das Universum saß nicht nur auf des Messers Schneide, sondern befand sich in einem noch viel kritischeren Gleichgewicht. Wenn wir zur frühesten Zeit zurückgehen, wo unsere physikalischen Theorien noch gelten, stellen wir fest: Die wichtige Zahl, der sogenannte ‚Dichte-Parameter‘, wird mit einer Genauigkeit von 1 zu 10⁶⁰ bestimmt. Wenn man diesen Parameter aufwärts oder abwärts um nur einen Bruchteil verändern würde, dargestellt durch eine 1, mit sechzig Stellen hinter dem Komma, dann wäre unser Universum für das Leben, wie wir es jetzt kennen, ungeeignet."

"Die Tatsache, dass Protonen nicht ewig leben, ist auch ein Ergebnis der Großen Vereinigung. Das bedeutet auch, dass das Universum keine anderen Bewahrungs-Größen hat, als diejenigen, wie die elektrische Ladung. Sie haben einen mittleren Wert von genau Null. Zusammen mit der Inflation bedeutet das eine Schöpfung aus dem Nichts." - Rees, M. und J. Gribbin (1991:27).

Roger Penrose ist Professor für Mathematik an der Universität von Oxford, England. Er schreibt in seinem Buch The Emperor's New Mind (der Neue Verstand des Kaisers) (1989:343): "Damit das Universum in einem Zustand niedriger Entropie (= hoher Ordnung) beginnen kann, - damit es tatsächlich einen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik geben wird, - muss der Schöpfer ein viel winzigeres Volumen des Phasenraums treffen. ... Um ein Universum zu erzeugen, das dem ähnelt, in dem wir leben, müsste der Schöpfer auf ein absurd winziges Volumen des Phasenraumes möglicher Universen zielen,- etwa 1/10¹²³ des ganzen Volumens, um das es hier geht." (1989:343).

"Dies zeigt uns jetzt, wie präzise der Schöpfers gezielt haben muss: nämlich mit einer Genauigkeit von inem Teil zu 10¹²³.

Das ist eine ungewöhnliche Zahl. Man könnte diese Zahl nicht einmal in der gewöhnlichen dezimalen Form ganz ausschreiben: Das wäre dann eine ‚1‘ mit 10¹²³ aufeinanderfolgenden Nullen! Selbst wenn wir diese Nullen auf jedes einzelne Proton und jedes einzelne Neutron im ganzen Universum schreiben würden, - und wir könnten auch noch sicherheitshalber alle anderen Teilchen dazuwerfen, auch dann könnten wir immer noch nicht diese Zahl, die nötig ist, niederschreiben. Die Genauigkeit, die man braucht, um das Universum auf seinen Kurs zu bringen, steht überhaupt nicht hinter der außerordentlichen Genauigkeit zurück, an die wir uns schon gewöhnt haben, an die großartigen dynamischen Gleichungen (Newtons, Maxwells, Einsteins), die das Verhalten der Materie von einem Augenblick zum nächsten beherrschen." - Penrose, R. (1989:344).

Professor Roger Penrose schreibt in seinem neuen Buch Das Große, das Kleine und der menschliche Geist (1998) S. 67-69): "Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Universum aus reinem Zufall eine Anfangssingularität aufweist, die der Wirklichkeit wenigstens entfernt nahe kommt? Die Wahrscheinlichkeit ist kleiner als 1 : 10¹²³. ... Was sagt uns das über die Genauigkeit, die im Spiel gewesen sein muss, als der Urknall ausgelöst wurde? Sie muss wirklich ganz außerordentlich groß gewesen sein.

"Ich habe dies in einem Cartoon veranschaulicht, in dem der Schöpfer einen winzig kleinen Punkt im Phasenraum sucht, der die Anfangsbedingungen repräsentiert, von denen aus sich unser Universum entwickelt haben muss, wenn es auch nur entfernt demjenigen ähneln soll, in dem wir leben. Um diese Bedingungen zu treffen, musste der Schöpfer den entsprechenden Punkt im Phasenraum mit einer Genauigkeit von 1 : 10¹²³ lokalisieren. Selbst wenn ich jedes Elementarteilchen in unserem Universum mit einer Null identifizieren würde, könnte ich diese Zahl nicht in voller Länge aufschreiben. Sie ist einfach riesig groß."

Steven Weinberg ist Professor an der Universität von Texas in Austin, Abteilung Physik und Astronomie. Er erklärt in seinem Buch The First Three Minutes (Die Ersten Drei Minuten) (1986:139, 140) über die Protonen und Elektronen im Universum:

"Die kosmische Ladung je Proton kann man leicht bestimmen. Soweit wir wissen, ist die mittlere Dichte der elektrischen Ladung, die sich auf das ganze Universum bezieht, Null. Wenn die positive Ladung der Erde und der Sonne stärker wäre, als die negative Ladung (oder umgekehrt), um nur eins zu eine Million Million Million Million Million Million (10³⁶), dann wäre die elektrische Abstoßung zwischen ihnen stärker, als die Anziehung, die von der Schwerkraft verursacht wird. Wenn das Universum endlich und geschlossen ist, könnten wir diese Bemerkung sogar in den Rang eines Grundsatzes erheben.

"Die Nettoladung des Universums muss Null sein. Sonst würden die elektrischen Kraftlinien das Universum dauernd umkreisen und ein unendliches elektrisches Feld aufbauen. Ob das Universum nun offen oder geschlossen ist, - wir können jedenfalls sagen, dass die elektrische Ladung des Kosmos je Proton unwesentlich ist."

"Wie ist das mit der Dichte der Leptonen-Zahl des Universums? Da das Universum keine elektrische Ladung hat, können wir annehmen, dass es für jedes positiv geladene Proton jetzt genau ein negativ geladenes Elektron gibt. Die Protonen bilden jetzt 87 Prozent aller Kernteilchen in unserem heutigen Universum. Deshalb kann man sagen, dass die Anzahl der Elektronen etwa genau so groß ist, wie die gesamte Anzahl aller anderen Kernteilchen." (1986:142).

Prof. Steven Weinberg sagt dann in Scientific American, Oktober 1994 Seite 27: "Aber eine Konstante scheint eine unglaubliche Feineinstellung zu erfordern: es ist die Vakuumenergie, oder kosmologische Konstante, die man im Zusammenhang mit inflationären Kosmologien erwähnt. Obwohl wir diese Quantität nicht kalkulieren können, können wir einige Beiträge dazu berechnen (wie die Energie der Quantenschwankung im Gravitationsfeld, deren Wellenlängen nicht kürzer ist als etwa 10^-33 Zentimeter). Diese Beiträge, die nach unseren Beobachtungen der heutigen kosmischen Ausdehnungsgeschwindigkeit erlaubt sind, sind etwa 120 Größenordnungen größer. Wenn sich die verschiedenen Beiträge zur Vakuumenergie nicht fast aufhöben, je nach dem Wert der gesamten Vakuumenergie, dann ginge das Universum entweder durch einen vollständigen Zyklus der Ausdehnung und Zusammenziehung hindurch, bevor Leben entstehen könnte, oder es würde sich so schnell ausdehnen, dass sich keine Galaxien oder Sterne bilden könnten.

"So scheint die Existenz des Lebens zu erfordern, dass sich die verschiedenen Beiträge zur Vakuumenergie gegenseitig aufheben, und zwar mit einer Genauigkeit von etwa 120 Dezimalstellen. Es ist möglich, dass man diese Aufhebung in einer künftigen Theorie erklärt."

Paul Renteln ist Assistent-Professor für Physik an der Kalifornischen Staatlichen Universität in San Bernadino. Er erklärt in American Scientist, Nov.-Dez. 1991 S. 524, 525 unter der Überschrift, "Quantenschwerkraft" über die Elektronen und die Quarks, und Photonen und Gluonen, und, wie gut sie zusammen arbeiten:

"In der Allgemeinen Relativität ist der Hintergrund dynamisch: die Schöpfung und die Zerstörung virtueller Teilchen verzerren tatsächlich die Raumzeit und verändern das Gravitationsfeld, das sie umgibt. Wenn wir die Gravitations-Wechselwirkungen zwischen den Teilchen betrachten, kann man nicht mehr die Wirkungen dieser virtuellen Schwankungen ignorieren. Schwankungen in den Materiefeldern (wie Elektronen und Quarks) bringen negative Beiträge zur kosmologischen Konstante, während die Träger der Kräfte (wie Photonen und Gluonen) einen positiven Beitrag zur Konstante liefern.

"Unsere Beobachtungen des Universums zeigen uns, dass sich die positiven und die negativen Beiträge gegenseitig aufheben, und zwar genauer als eins zu 10¹²⁰! Wenn die Teilchen keine solche beinahe gleichen Beiträge zur Konstante machten, würde unser Universum entweder in sich zusammenbrechen, oder sich fast mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnen. Es gibt kein physikalisches Prinzip, das den hohen Grad erklärt, mit dem sich die positiven und negativen Beiträge gegenseitig aufheben. Deshalb stellt die kleine Größe der kosmologischen Konstante ein Problem dar."

David Gross war Professor für Physik an der Princeton Universität. Er schreibt über "Das Problem der Kosmologischen Konstante": "Gravitation ist aber eine Macht, die direkt mit Energie verbunden ist. Aber oft sagt man, dass die Gravitation mit der Masse verbunden ist. Doch wir haben von Einstein gelernt, dass sie, gemäß ihrer Natur, nur Energie ist. Da die Gravitation direkt mit der Energie verbunden ist, ‚weiß‘ sie so zu sagen, wie viel Energie ein bestimmter Gegenstand enthält. Und das gilt auch für das Universum als Ganzes: Auch das Universum hat eine bestimmte Energiedichte." (1989:172).

Prof. David Gross: "Auch, wenn der Raum leer ist. Man kann den leeren Raum messen, weil das Universum sich um so mehr zusammenzieht, je höher seine Energiedichte ist. So kann man die Hintergrund-Energiedichte des Universums bestimmen, indem man seine globale Struktur bestimmt. Das hat man gemessen. Man hat hier aber nur einen oberen begrenzenden Wert ermittelt, denn der genaue Wert scheint dicht bei Null zu liegen. Diese Messungen sind tatsächlich die genausten Bestimmungen einer ‚Nullgröße‘, die man jemals gemacht hat: Ihre Genauigkeit ist 1:10¹²⁰ in Einheiten des Planck-Masse, dem natürlichen Masse- oder Energiemaßstab der Gravitation." (1989:172).

"Nehmen wir zum Beispiel an, Sie würden an einer modernen physikalischen Theorie arbeiten, die die Gravitation einschließt. Und jemand fragte Sie, ohne das beobachtete Ergebnis zu kennen: Wie hoch, gemäß Ihrer Theorie, würden Sie die Hintergrunddichte des Universums schätzen? Ihr Schätzungswert wäre dann 10¹²⁰mal größer, als die obere Begrenzung. Jeder glaubt, dass sein wirklicher Wert Null ist. ... Seit Einstein sie eingeführt hat, ist der kleine Wert der Kosmologischen Konstanten ein Rätsel geblieben. Immer wieder hat man festgestellt, das sie Null, Null und nochmals Null ist. Aber niemand weiß, warum." - Gross, D. (1989:172).

W. Knapp (1992:65) fand heraus: Die kritische Energiedichte des Universums ist jetzt 10^-29 g/cm³. Und Michael Turner schreibt in Science, Bd. 262, 5 Nov. 1993 S. 861: Die kritische Energiedichte des Universums ist 1.88 x 10^-29 g/cm³.

Professor Venzo de Sabbata, Università di Bologna, Italien, und C. Sivaram sagen in Gravitation and Modern Cosmology, The Cosmological Constant Problem (Gravitation und Moderne Kosmologie, Das Kosmologische Konstanten-Problem) (1991:21, 22, 29): "In der Planck-Zeit, als das Universum 10^-43 s alt war, hatte es eine Energie von 10¹⁹ GeV, eine Energiedichte von 10⁹³ g/cm³, und eine Krümmungsenergie von 10⁶⁶ cm². Die kritische Energiedichte ist jetzt 10^-29 g/cm³. Und die Krümmungsenergie des Universums ist jetzt nur 10^-56 cm²."

Hier bemerkte ich: Die Energiedichte des Universums zur Planck-Zeit, mit 10⁹³ g/cm³, und die kritische Energiedichte des Universums, mit 10^-29 g/cm³, haben ein Verhältnis von 1 : 10¹²². - Und die Krümmungsenergie des Universums in der Planck-Zeit, mit 10⁶⁶ cm², und ihrer heutigen Krümmungsenergie, von 10^-56 cm², haben auch ein Verhältnis von 1 : 10¹²². - Warum?

Andrei Linde, Abt. Physik, an der Stanford Universität, ist vom Lebedev Physikalischen Institut in Moskau, Russland, gekommen. Er sagt in seinem Artikel "Kosmologische Konstante, Quanten Kosmologie und Anthropisches Prinzip" (1991:102, 115, 116):

"Die Vakuum-Energiedichte des Universums ist jetzt 10^-29 g/cm³. Aber wir sollten statt dessen eine Vakuum-Energiedichte mit einer Planck-Dichte von 10⁹⁴ g/cm³ erwarten. Sie ist wenigstens 123 Größenordnungen größer, als die heutige Vakuum-Energiedichte von 10^-29 g/cm³. Galaxien können sich nur bilden, und Leben unserer Art wird nur möglich, wenn die Vakuum-Energiedichte zwischen 10^-29 g/cm³ und 10^-27g/cm³ liegt. Das Universum wurde im Quantenzustand mit 10^-29 g/cm³ erschaffen."

In seinem Buch Particle Physics and Inflationary Cosmology (Teilchen-Physik und Inflationäre Kosmologie) (1990:321), erklärt Prof. Andrei Linde: "Als das Universum geboren wurde, (nicht lange nach der Singularität), betrug seine Vakuumenergie-Dichte -10⁹⁴ g/cm³. Und die kritische Energiedichte des Universums ist jetzt 2·10^-29 g/cm³. Die Energiedichte des Universums, in der Planck-Zeit, betrug 10⁹⁴ g/cm³, und seine Vakuum-Energiedichte war -10⁹⁴ g/cm³. Sie waren ausgeglichen."

Wie konnte die Vakuum-Energiedichte während des "Urknalls" nur 10^-29 g/cm³ betragen haben (so dass Galaxien entstehen konnten), während die Energiedichte des Universums zur gleichen Zeit (in der Planck-Zeit) 10⁹⁴g/cm³ betrug? Das ist ein Verhältnis von 1 : 10¹²³!

Alan H. Guth, Massachusetts Institut für Technologie, Cambridge, MA, und Paul Steinhardt, Universität von Pennsylvanien (1989:57) fanden heraus: Die kosmologische Konstante, als eine feststehende Massendichte des Vakuums ist 1.6 x 10^-26 kg/m³ (= 1.6 x 10^-29 g/cm³). Der Druck des falschen Vakuums ist negativ. Sie ist genau so groß wie die Energiedichte. Die Energiedichte (oder der Druck) des Universums zur Planck- Zeit ist 10⁹² J/m³.

H. Guth und P. Steinhardt: "Die gesamte Energie irgendeines Systems besteht aus einem Gravitationsteil und einem Nichtgravitationsteil. Der Gravitationsteil (das heißt, die Energie vom Gravitationsfeld selbst) ist unter Laboratoriumsbedingungen unwesentlich. Aber kosmologisch kann er ganz wichtig sein. Der Nichtgravitationsteil selbst wird nicht erhalten. Im üblichen Urknallmodell nimmt er drastisch ab, während sich das frühe Universum ausdehnt. Und die Rate des Energieverlustes entspricht dem Druck des heißen Gases. Während der Inflation wird das Gebiet, um das es hier geht, mit einem falschen Vakuum gefüllt. Es hat einen großen negativen Druck. In diesem Fall nimmt die Nichtgravitations-Energie drastisch zu. Alle Nichtgravitations-Energie des Universums wird erschaffen, während sich das falsche Vakuum schnell ausdehnt. Die Energie wird befreit, wenn der Phasenübergang stattfindet. Und schließlich entwickelt sie sich zu dem, was wir heute sehen, auch die Sterne, die Planeten, und sogar uns selbst.

"Unter diesen Umständen ist der Gravitationsteil der Energie etwas schlecht definiert, aber grob gesprochen, kann man sagen, dass die Gravitations-Energie negativ ist, und dass sie die Nichtgravitations-Energie genau aufhebt. Die gesamte Energie ist dann null und entspricht der Evolution des Universums aus dem Nichts." (1989:54).

Wichtig für uns ist hier: Die gesamte Energie irgendeines Systems besteht aus einem Gravitationsteil und einem Nichtgravitationsteil. Die Gravitations-Energie hebt die Nichtgravitations-Energie genau auf. Die eine ist negativ, und die andere positiv.

Alan H. Guth berichtet in seinem neuen Buch Das Inflationäre Universum (1998:22) über die kritische Energiedichte des Universums. "Der Wert der kritischen Massendichte liegt, so glaubt man, zwischen 4.5 x 10^-30 und 1.8 x 10^-29 Gramm je Kubikzentimeter. Sie hängt vom Wert der Ausdehnungsrate ab (d.h., der Hubble-Konstante, die man in der Kalkulation benutzt.) Gemäß dem, was wir aus dem täglichen Leben kennen, ist diese Dichte unglaublich niedrig. Die kritische Dichte entspricht etwa 2 bis 8 Wasserstoff-Atomen je Kubikyard (0,7646 m³). Diese Dichte ist mehr als zehn Millionen Male niedriger, als die des besten Vakuums, das man hier auf der Erde im Laboratorium erreichen kann."

Die Energiedichte des Universums am Anfang (Urknall) war 10⁹³ g/cm³ (Guth, A. H. 1998:268). - 10⁹³ g/cm³ : 1.8 x 10^-29 g/cm³ = 10¹²². Das bedeutet: Die kritische Energiedichte von 1.8 x 10^-29 g/cm³ des Universums ist der 10^122te Teil von 10⁹³ g/cm³, der Energiedichte der Planck-Zeit.

"Kosmologen benutzen den griechischen Buchstaben Omega, um das Verhältnis der tatsächlichen Massendichte des Universums zur kritischen Dichte anzugeben. ... Dicke (einer der beiden amerikanischen Wissenschaftler, die die Hintergrundstrahlung entdeckten), wiesen darauf hin, dass die Evolution von Omega wie ein Bleistift ist, der auf seiner Spitze steht. Wenn der Bleistift vollkommen im Gleichgewicht ist, wird er gemäß den Gesetzen der klassischen Physik immer auf seiner Spitze stehen bleiben. Wenn sich der Bleistift etwas nach links oder rechts neigt, wird diese Neigung schnell zunehmen. Und der Bleistift kippt um. Die Situation des perfekten Gleichgewichtes entspricht einem Wert von Omega gleich eins. Das heißt, die Massendichte entspricht genau der kritischen Dichte. Wenn Omega zu irgendeiner Zeit genau eins ist, dann wird es ewig genau eins bleiben. Aber wenn Omega im frühen Universum nur etwas weniger als eins wäre, dann würde es schnell auf null fallen. Und wenn Omega im frühen Universum nur etwas größer als eins wäre, würde es unendlich schnell zunehmen." (1998:22, 23).

"Omega bleibt eins, wenn es genau mit eins beginnt. Aber eine Abweichung von nur 0,02 wird zu einer großen Abweichung innerhalb der Zeitperiode führen, wie hier angegeben. Damit Omega zehn Milliarden Jahre lang oder noch länger dicht bei eins bleibt, musste jede Abweichung von eins im frühen Universum außergewöhnlich klein gewesen sein.

"Wenn wir fragen, wie hoch die durchschnittliche Massendichte des Universums, eine Sekunde nach dem Urknall gewesen sein muss, damit sie irgendwo zwischen einem Zehntel und dem Zweifachen des heutigen kritischen Wertes liegt, ist die Antwort erstaunlich. Die Massendichte, (als das Weltall) eine Sekunde alt war, muss der kritischen Dichte entsprechen, und zwar mit einer Genauigkeit von eins zu 10¹⁵. Das heißt, sie muss wenigstens 0,999999999999999mal die kritische Dichte gewesen sein, aber nicht mehr als 1,000000000000001mal die kritische Dichte!

Dicke schloss daraus, "dass die Massendichte (als das Weltall) eine Sekunde alt war, der kritischen Dichte mit einer Genauigkeit von eins zu 10¹⁴ entsprochen habe. Wenn die Massendichte weniger als 0,999999999999999mal des kritischen Wertes wäre, meinte er, dann wäre die Dichte so schnell zu einem unwesentlichen Wert geschwunden, dass Galaxien

"Omega [ist] das Verhältnis zwischen der eigentlichen Massendichte des Universums und der kritischen Energiedichte. (Die kritische Dichte, die man anhand der Ausdehnungsgeschwindigkeit ermittelt hat, ist die Dichte, die das Universum gerade auf der Grenzlinie zwischen ewiger Ausdehnung und schließlichem Sturz hält.) Das Problem wird von der instabilen Situation verursacht, in der Omega gleich eins ist. Das ist wie ein Bleistift, der auf seiner Spitze steht. Wenn Omega genau gleich eins ist, wird es ewig genau eins bleiben. Aber wenn sich Omega im frühen Universum nur ein wenig von eins unterschied, würde die Abweichung mit der Zeit wachsen. Und heute wäre Omega dann weit von eins entfernt. Heute liegt Omega zwischen 0,1 und 2. Das bedeutet: eine Sekunde nach dem Urknall muss Omega zwischen 0,999999999999999 und 1,000000000000001 (= 10¹⁵) gelegen haben. Doch die übliche Urknalltheorie kann nicht erklären, warum Omega so dicht bei eins anfing.

"Mit der Inflation verschwindet aber das Flachheitsproblem. Die Wirkung der Schwerkraft wird während der Inflation umgekehrt. Alle Gleichungen, die die Evolution des Universums beschreiben, verändern sich. In der späteren Geschichte des Universums wird Omega immer weiter von eins weggetrieben. In der Inflation wird Omega nach eins hin getrieben. Es wird in der Tat mit unglaublicher Schnelligkeit nach eins hin getrieben. In 100 Verdoppelungszeiten. Der Unterschied zwischen Omega und 1 verringert sich um einen Faktor von 10⁶⁰. Bei der Inflation muss man nicht mehr anzunehmen, dass das Universum mit einem Wert von Omega angefangen hat, der unglaublich dicht bei eins lag. Vor der Inflation hätte Omega 1.000 oder 1.000.000 oder 0,001 oder 1,000001 gewesen sein können, oder sogar irgendeine Zahl noch weiter von eins entfernt. So lange, wie sich die exponentielle Ausdehnung lange genug fortsetzt, wird der Wert von Omega mit exquisiter Genauigkeit nach eins hin getrieben." (1998:176, 177). Schließlich

"Das Abkühlen raubt den Teilchen den größten Teil ihrer Energie. Und es leitet diese Energie in das Gravitationsfeld. ... Im Gegensatz zum üblichen Urknall-Konzept erfordert die inflationäre Version nur einen einzigen Bestandteil: ein Gebiet falschen Vakuums. Und das Gebiet muss nicht sehr groß sein. Wenn die Physik der großen vereinigten Theorien die Inflation antreibt, braucht man bei diesem Rezept nur einen Fleck falschen Vakuums, 10^-26 Zentimeter im Durchmesser. Die Masse besteht in diesem Fall aus nur 10^-32 Sonnenmassen. Das Zeichen eines Exponenten kann einen großen Unterschied ausmachen. In Einheiten ausgedrückt, die man leichter versteht, beträgt die erforderliche Masse etwa 25 Gramm, oder ungefähr eine Unze! Deshalb entsteht in der inflationären Theorie das Universum praktisch aus dem Nichts. Deshalb bezeichne ich das oft als das kostenloseste Mittagessen. ... Bedeutet das nun, dass die Gesetze der Physik es uns nun wirklich ermöglichen, ein neues Universum zu schaffen, wenn wir das möchten? Wenn wir versuchten, dieses Rezept auszuführen, würden wir leider sofort auf ein ärgerliches Hindernis stoßen. Weil diese Sphäre (= Kugel) falschen Vakuums, 10^-26 Zentimeter im Durchmesser, nur eine Masse von einer Unze hat. Ihre Dichte beträgt phänomenale 10⁸⁰ Gramm je Kubikzentimeter.

"Zum Vergleich: die Dichte von Wasser ist 1 Gramm je Kubikzentimeter. Und selbst die Dichte eines Atomkernes ist nur 10¹⁵ Gramm je Kubikzentimeter. Um die Massendichte des falschen Vakuums zu erreichen, kann man sich das so vorstellen: Man nimmt Wasser und presst es auf die Dichte eines Atomkerns zusammen. Auch wenn man dann noch vier weitere Male die Dichte um diesen Faktor erhöht hat, wäre die Dichte dann immer noch 100.000 Male niedriger, als die des falschen Vakuums! Wenn man die Masse des ganzen sichtbaren Universums auf die Dichte des falschen Vakuums zusammen gepresste, wäre sein Volumen noch kleiner, als das eines Atoms!" (1998:254, 255).

"Wir wissen nicht, ob es falsche Vakuumzustände gibt mit einer Masse von mehr als 10⁸⁰ Gramm je Kubikzentimeter. Wenn es einen falschen Vakuumzustand gibt, wo die Schwerkraft mit den anderen Kräften vereinigt ist, was bei etwa 10¹⁹ GeV geschehen sollte, dann betrüge die Massendichte (= des Universums) etwa 10⁹³ Gramm je Kubikzentimeter. Bei dieser Dichte wäre die Antwort zu unserer Wahrscheinlichkeitskalkulation ungefähr eins. Bei etwa jedem Versuch würde man dann ein neues Universum erschaffen!" - Guth, A H. (1998:268).

"Niemand weiß, wie man die Energiedichte des Vakuums berechnet. Aber wenn Teilchenphysiker die Energie schätzen, die mit diesem Aktivitätssturm verbunden ist, kommen sie auf eine riesige Zahl. Ungefähr 10^120mal größer, als der größte Wert, der mit dem übereinstimmt, was man beobachtet hat. Es gibt negative Beiträge zur Energiedichte, und positive. Aber niemand weiß, warum sie sich aufheben sollten. Etwas passiert, das wir nicht verstehen. Es drückt die kosmologische Konstante um mindestens 120 Größenordnungen unter das, was wir erwarten. Unsere Unfähigkeit, diese Unterdrückung zu verstehen, bezeichnet man als das kosmologische Konstantenproblem. Und man betrachtet es allgemein als ein sehr großes Problem in der Teilchentheorie.

"Wenn die kosmologische Konstante das Alter des Universums merklich beeinflussen sollte, muss dieser mysteriöse Unterdrückungsmechanismus durch Zufall, bei fast genau 120 Größenordnungen anhalten. Wenn die kosmologische Konstante bei 125 Größenordnungen unterdrückt würde, oder bei 150 oder 1000 Größenordnungen (= Stellen hinter dem Komma), dann wäre sie zu klein, um irgendeine Wirkung zu haben. Man weiß nicht, warum die Unterdrückung bei fast genau 120 Größenordnungen liegen sollte. Deshalb finden es viele Teilchenphysiker schwer, zu glauben, dass die kosmologische Konstante die richtige Antwort zum Altersproblem ist." (1998:284, 285).

Was heißt das? - "Das Puzzle, warum die kosmologische Konstante einen Wert hat, der entweder bei Null liegt, oder in jedem Fall ungefähr 120 Größenordnungen kleiner ist, oder noch kleiner ist, als der Wert, den die Teilchentheoretiker erwarten. Gemäß den Teilchentheoretikern ist die kosmologische Konstante ein Maß der Energiedichte, die im Vakuum enthalten ist. Sie erwarten, dass sie groß ist, wegen der Kompliziertheit des Vakuums." - Guth, A. H. (1998:329).

Ergebnis: Die Energiedichte des Universums am Anfang (in der Planck-Zeit) war 10⁹³ g/cm³ (Guth, A. H. 1998:268). -10⁹³ g/cm³ : 1.8 x 10^-29 g/cm³ = 10¹²². Das bedeutet: Die kritische Energiedichte von 1.8 x 10^-29 g/cm³ des Universums ist der 10^122te Teil von 10⁹³ g/cm³ am Anfang. Aber sie erreicht nicht 1 : 10¹²⁵.

Professor Venzo de Sabbata und C. Sivaram (1991:21, 22, 29) fanden heraus: In der Planck-Zeit, als das Universum 10^-43 s alt war, hatte es eine Energie von 10¹⁹ GeV, ein Energiedichte von 10⁹³ g/cm³, und eine Krümmungsenergie von 10⁶⁶ cm². Die kritische Energiedichte des Universums ist jetzt 10^-29g/cm³. Und seine Krümmungsenergie ist jetzt 10^-56 cm². - In beiden Fällen haben sie ein Verhältnis von 1 : 10¹²²:

Das bedeutet: +10⁶⁶ cm² ist die positive Form des Planck-Zeit Krümmungsenergie. Wenn wir sie durch 10¹²² teilen, bekommen 10^-56 cm², die Krümmungsenergie unseres heutigen Universums. Dann vervielfachen wir 10^-56 cm² mit 10¹²², und wir bekommen -10⁶⁶ cm², die Planck-Zeit-Krümmungsenergie in ihrer negativen Form. Die Energiedichte des Universums in der Planck-Zeit ist 1,88·10⁹³, und seine kritische Energiedichte ist 1,88·10^-29 g/cm³. Ihr Verhältnis ist 1:10¹²². Wenn die Energiedichte des Universums in der Planck-Zeit 1,88·10⁹⁴ g/cm³ war, ist das Verhältnis 1:10¹²³.

Planck-Einheit bei 10^-43 s	Kosmologische Konstante	Kritische Energiedichte
Energiedichte 1,88·10⁹³ g/cm³	1 : 10¹²²	1,88·10^-29 g/cm³
Länge 4,13·10^-33 cm	1 : 10¹²²	4,13·10^-155 cm
Zeit 1,38·10^-43 s	1 : 10¹²²	1,38·10^-165 s
Masse 5,56·10^-5 g	1 : 10¹²²	5,56·10^-127 g
Energie 5·10⁹ J	1 : 10¹²²	5·10^-113 J
Temperatur 3.50·10³² K	1 : 10¹²²	3,50·10^-90 K
Krümmungsenergie 10⁶⁶ cm²	1 : 10¹²²	10^-56 cm²

Wie passt das jetzt alles zusammen? Was bedeutet das? Wie kann die Energiedichte des Universums in der Planck-Zeit, als es 10^-43 Sekunde alt war, 1,88·10⁹³ g/cm³ oder 1,88·10⁹⁴g/cm³ sein, während die kritische Energiedichte des Universums gleichzeitig 1,88·10^-29 g/cm³ ist? Und warum ist ihr Verhältnis dann 1 : 10¹²² oder 1 : 10¹²³? Welche dieser beiden ist die richtige? Was haben die Wissenschaftler jetzt darüber herausgefunden?

Lawrence M. Krauss ist jetzt Professor in der Physikabteilung der Case Western Reserve University. Er arbeitet auch bei CERN, Genf, in der Schweiz. Er schreibt in Scientific American 1999. Januar, S. 37, über "Kosmologische Antigravitation":

"Wenn virtuelle Teilchen die Eigenschaften von Atomen verändern können, könnten sie auch die Ausdehnung des Universums beeinflussen? Im Jahre 1967 zeigte der russische Astrophysiker Yakob B. Zeldovich, dass die Energie virtueller Teilchen genau wie die Energie fungieren sollte, die mit einer kosmologischen Konstante verbunden ist. ... Auch wenn Theoretiker Quantenwirkungen, kleiner als eine bestimmte Wellenlänge, ignorieren,... die berechnete Vakuumenergie ist ungefähr 120 Größenordnungen größer, als die Energie, die in der gesamten Materie des Universums enthalten ist.

"Wie würde sich das auf solch eine kosmologische Konstante auswirken? Um ein Stichwort von Orwell‘s Maxime zu nehmen: Sie können leicht eine beobachtbare Begrenzung auf seinen Wert setzen. Strecken Sie Ihre Hand aus und schauen Sie sich Ihre Finger an. Wenn die Konstante wirklich so groß wäre, wie das die Quantentheorie naiv vorschlägt, würde sich der Raum zwischen Ihren Augen und Ihrer Hand so schnell ausdehnen, dass das Licht von Ihrer Hand Ihre Augen nie erreichen würde. Sie müssten sich dann, sozusagen, dauernd anstrengen, um zu sehen, was vor Ihrem Gesicht ist. Und Sie würden dabei immer verlieren. Die Tatsache, dass Sie überhaupt etwas sehen können, bedeutet, dass die Energie des leeren Raumes nicht so groß sein kann.

"Und die Tatsache, dass wir nicht nur bis zum Ende unserer Arme sehen können, sondern auch bis zu den weiten Räumen des Universums, setzt eine noch strengere Begrenzung auf die kosmologische Konstante: fast 120 Größenordnungen kleiner, als die Schätzung, die oben erwähnt wird. Der Widerspruch zwischen Theorie und Beobachtung ist das verblüffendste Puzzle in der heutigen Physik. ... Der einfachste Schluss ist, dass ein bis jetzt noch unentdecktes physikalisches Gesetz bewirkt, dass die kosmologische Konstante verschwindet. Die Theoretiker wären froh, wenn diese Konstante verschwände. Verschiedene astronomische Beobachtungen - vom Alter des Universums, die Dichte der Materie und die Natur der kosmischen Struktur - total unabhängig voneinander, beweisen aber, dass sie wahrscheinlich hier bleibt."

"Die durchschnittliche Dichte der gewöhnlichen Materie nimmt ab, während sich das Universum ausdehnt. Die entsprechende Dichte, die von der kosmologischen Konstante dargestellt wird, steht fest. Warum haben sie dann heute fast die gleichen Werte, obwohl sie sich anders verhalten? Die Konstante ist entweder Zufall, eine Vorbedingung für menschliche Existenz (ein Hinweis auf das schwache anthropische Prinzip), oder ein Anzeichen von einem Mechanismus, den man sich noch nicht vorstellen kann." (1999:40).

· Zur Zeit Null, als unser Universum geboren wurde, und kurz danach, hatte die gewöhnliche Materie, wie Atome, Moleküle, Sterne, und Planeten eine Dichte von 10^-20 g/cm³. Und sie sank dann schnell auf 10^-27 g/cm³. Aber die kosmologische Konstante, die kritische Energiedichte des Universums, hatte schon zur Zeit Null eine Dichte von etwa 2·10^-29 g/cm³.

Prof. Lawrence M. Krauss schließt daraus: "Irgendeine Feineinstellung muß die Energie der virtuellen Teilchen abziehen, und zwar mit einer Genauigkeit von 123 Dezimalstellen. Dabei rührt sie aber die 124ste nicht an. Solch eine Genauigkeit findet man sonst nirgends in der Natur." (1999:41).

Über das "Schicksal des Universums" sagt Prof. Lawrence M. Krauss dann: "Die kosmologische Konstante verändert das übliche einfache Bild von der Zukunft des Universums. Traditionell hat die Kosmologie zwei mögliche Ergebnisse vorhergesagt, die von der Geometrie des Universums abhängen, oder, entsprechend, der durchschnittlichen Dichte der Materie. Wenn die Dichte eines mit Materie gefüllten Universums einen bestimmten kritischen Wert übersteigt, ist es ‚geschlossen‘. Dann wird es schließlich aufhören, sich auszudehnen. Es wird sich zusammenzuziehen und schließlich in einer feurigen Apokalypse verschwinden. Wenn die Dichte weniger ist, als der kritische Wert, ist das Universum ‚offen‘ und wird sich ewig ausdehnen. Bei einem ‚flachen‘ Universum ist die Dichte gleich dem kritischen Wert. Es wird sich dann auch ewig ausdehnen, aber immer langsamer.

"Diese Szenarien gehen aber davon aus, dass die kosmologische Konstante gleich Null ist. Wenn nicht, dann wird sie (die kritische Dichte), statt der Materie - das endgültige Schicksal des Universums bestimmen. Und zwar, weil die Konstante, gemäß Definition, eine feste Energiedichte im Raum darstellt. Die Materie kann nicht damit konkurrieren: wenn sich der Radius verdoppelt, verdünnt sich seine Dichte achtfach. In einem sich ausdehnenden Universum wird die Energiedichte, die mit einer kosmologischen Konstante verbunden ist, gewinnen. Wenn die Konstante einen positiven Wert hat, erzeugt sie eine weitreichende abstoßende Kraft im Raum. Und das Universum wird sich weiterhin ausdehnen, auch wenn die gesamte Energiedichte in der Materie und im Raum den kritischen Wert übersteigt. (Große negative Werte der Konstante wird es nicht geben, weil die daraus entstehende anziehende Kraft das Universum schon zu seinem Ende gebracht hätte.) Sogar diese neue Voraussage über die ewige Ausdehnung geht davon aus, dass die Konstante tatsächlich konstant ist, wie das aus der Allgemeinen Relativität hervorgeht." - Krauss, M. L. (1999:40).

Warum dehnt sich das Weltall mit genau der richtigen Geschwindigkeit aus, so dass es weder wild auseinander fliegt, noch in sich zusammen stürzt? Ich sehe das so: Zwei Formen von Teilchen beherrschen das Weltall: (1) Die Teilchen mit Spin-eins, wie die elektromagnetische Strahlung, stoßen sich ab, dehnen das Weltall aus.(2) Die Teilchen mit Spin-zwei, wie die Schwerkraft-Wellen, ziehen sich an. Sie ziehen die Materie, Gase usw. in die Form ihres eigenen Gravitationsfeldes, in die Form von Kugeln zusammen. Auch das Weltall als Ganzes gesehen. Die anziehende Kraft und die abstoßende Kraft müssen beide genau gleich sein, und zwar mit einer Genauigkeit von 1:10^-123.