Ein winziges Ungleichgewicht im frühen Universum

Daß der Himmel voller Sterne hängt, und das Universum nicht öd und leer ist, das ist nicht selbstverständlich, denn bei der Geburt unseres Universums herrschte ein Gleichgewicht sich gegenseitig vernichtender Teilchen. Erzeugten blubbernde Blasen während der Geburtswehen das winzige Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie, das nötig war, damit Galaxien, Sterne und Menschen entstehen konnten? Christof Wetterich erforscht am Institut für Theoretische Physik die spannenden Vorgänge des ,elektroschwachen" Phasenübergangs im Anfangsstadium des Urknalls.

Vor langer, langer Zeit, als das Universum noch jung und abenteuerlich war, dachte es vor sich hin: ,Nun explodiere ich schon eine ganze Weile, aber von wo aus ich mich auch betrachte, überall der gleiche Anblick. Einförmigkeit in allen Richtungen, ich kann mich drehen und wenden, wie ich will. Wenn ich nichts unternehme, verspricht meine Zukunft in tödlicher Langeweile zu ersticken!" Etwas Neues mußte her. Gesagt, getan, setzte das Universum winzige Bläschen einer anderen Welt - unserer Welt - in sich aus. Gerade mal aus Neugier, was es sonst noch so geben könnte. Diese Stückchen der neuen Welt erwiesen sich schnell als eine äußerst robuste und gefräßige Spezies. Sie wuchsen rapide, und - Platz da! - verdrängten im Nu die alte Welt. Jedoch konnten sich die verschiedenen Stücke zunächst nicht einigen, wer denn nun der wirkungsvollste Fresser sei. In harten Kollisionen gerieten die Blasen aneinander, bald kochte und brodelte das Universum. Der Krieg der Blasen tobte ein Millionstel einer Millionstel Sekunde und endete schließlich aus Erschöpfung. Die Blasen verschmolzen zu einer einzigen neuen Welt. Überbleibsel dieser turbulenten Epoche war ein winziges Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie - die Grundlage für die spätere Geburt von Galaxien und Sternen, und schließlich des Lebens und der Menschen.

Ein weiteres Märchen zur Schöpfungsgeschichte? Oder phantastische Träume eines Esoterikers? Oder gar die Realität unserer Geschichte zur Zeit des elektroschwachen Phasenübergangs?

Phasenübergänge sind uns allen aus dem Alltag gut bekannt: Wenn der Hausmann Wasser auf dem Herd erhitzt, beobachtet er zunächst keine merkliche Veränderung - es sei denn, er steckt den Finger hinein und fühlt das Ansteigen der Temperatur. Bei 100 Grad Celsius jedoch fängt das Wasser an zu sprudeln, Dampfbläschen bilden sich, und wenn unser guter Hausmann gerade pflichtvergessen ein mathematisches Problem löst, so hat sich das Kaffeewasser auch bald vollständig in Dampf verwandelt. Eine solche plötzliche Änderung der Eigenschaften eines Stoffes bei einer kleinen Änderung der Temperatur nennt man einen Phasenübergang. Auch beim Abkühlen des Wassers gibt es einen Phasenübergang, wenn bei 0 Grad Celsius das Wasser zu Eis gefriert. Aus winzigen Wassertröpfchen in Wolken bilden sich Schneeflocken. Betrachtet man sie näher, entdeckt man die faszinierende Ordnung und oft bezaubernde Schönheit der Kristalle.

Diese allgemeine Eigenschaft der Materie, sich bei genügend tiefer Temperatur in einer ,Phase" mit hoher Ordnung zu befinden, läßt sich besonders einfach bei Magneten veranschaulichen: Bei tiefen Temperaturen sind die Elementarmagnete eines Ferromagneten alle in eine Richtung ausgerichtet, symbolisiert durch die gleiche Richtung der Pfeile im linken Bild. Als Resultat ergibt sich ein Magnetfeld, mit dessen Hilfe zum Beispiel ein Magnetschnapper eine Schranktür geschlossen halten kann. Starkes Erhitzen jedoch entmagnetisiert den Schnapper - bei hoher Temperatur sorgt die thermische Bewegung der Elementarmagnete für Unordnung. Die Richtung der Elementarmagnete ist nun zufällig verteilt, die von ihnen erzeugten Felder sind gegeneinander gerichtet und heben sich gegenseitig auf. Das Magnetfeld verschwindet - ein genügend heißer Magnetschnapper hält keine Schranktür. Noch etwas fällt beim Betrachten der beiden Bilder auf: Dreht man das rechte Bild um 90 Grad, so läßt sich - zumindest auf den ersten Blick - kein großer Unterschied feststellen. Im Groben gesehen ist der dargestellte Zustand symmetrisch bezüglich der Drehung. Im Gegensatz dazu ändert sich bei einer Drehung des linken Bildes die Richtung der Pfeile, vorher von unten nach oben, nachher von links nach rechts. Die Drehsymmetrie ist gebrochen. Diese einfachen Züge gelten sehr allgemein: Bei tiefer Temperatur befindet sich die Materie in einem Zustand großer Ordnung und geringer Symmetrie. Bei hoher Temperatur zeichnet sich dagegen der Zustand durch eine hohe Symmetrie aus, während die Ordnung zerstört ist. Entgegen einem landläufigen Vorurteil sind dabei Symmetrie und Ordnung entgegengesetzte Pole!

Nun, was haben Kaffeewasser, Schneeflocken und Magnetschnapper mit dem frühen Universum zu tun? Fotos des heutigen Universums zeigen übereinstimmend, daß sich unser Universum in einer Explosion befindet. Ferne Galaxien fliegen von uns weg, und zwar je schneller, desto größer die Entfernung. Die riesigen Fluchtgeschwindigkeiten entfernter Gestirne kann man zwar nicht direkt am Nachthimmel beobachten - sie zeigen sich jedoch durch eine systematische Verschiebung der Farbe des Lichts ins Rote, ähnlich der Verschiebung der Tonhöhe eines sich rasch entfernenden Krankenwagens. Obwohl sich ferne Galaxien in alle Richtungen von uns entfernen, stehen wir keinesfalls im Mittelpunkt dieses Geschehens: Auch für den (möglichen) Astro- nomen in einer weit entfernten Galaxie bewegt sich alles - einschließlich unserer Milchstraße - nach allen Richtungen von ihm weg.

Wenn sich unser Universum explosionsartig ausdehnt, so wird in der fernen Zukunft der mittlere Abstand zweier Galaxien oder Haufen von Galaxien größer sein als heute. Umgekehrt folgt sofort, daß zu einem früheren Zeitpunkt die Galaxienhaufen näher beieinander lagen. Unser ganzes heute beobachtbares Universum muß früher in einem kleineren Volumen untergekommen sein, und zwar je früher die Zeit, desto kleiner das Volumen. Die Einstein'sche Relativitätstheorie gestattet es, diese Beziehung präzise zu berechnen. Blickt man nun in der Zeit weiter und weiter zurück, so wird es immer enger im Kosmos: Schließlich müssen alle Sterne in einem immer kleineren Volumen Platz finden. Stellen wir uns vor, wir lassen einen Film über die Evolution des Universums rückwärts laufen. Die Dichte (Masse pro Volumen) wächst und wächst, und es muß eine Zeit gegeben haben, zu der die mittlere Dichte des Universums überall die der Luft in unserer Atmosphäre war, noch früher die Dichte von Wasser, von Eisen, und zu extrem frühen Zeiten auch die enorme Dichte von Kernmaterie - und sogar darüber hinaus! Bei diesen extremen Dichten sind die mittleren Abstände zwischen den Elementarteilchen winzig. Hier treffen sich die Physik des Makro- und des Mikrokosmos, oder Gravitationstheorie, Thermodynamik und Elementarteilchentheorie.

Im Urknall-Modell besteht das Universum zu einem frühen Zeitpunkt aus einem unvorstellbar heißen und dichten Plasma. Alle Materie ist in einem winzigen Volumen zusammengepackt. Dieses dehnt sich explosionsartig aus - jetzt läuft der Film vorwärts -, wobei Dichte und Temperatur abnehmen, bis auf den heutigen Tag. Manche Ereignisse in dieser Explosionsgeschichte können wir übrigens noch heute beobachten: So war das Plasma bei Temperaturen oberhalb 3000 Grad Celsius undurchsichtig. Erst bei tieferen Temperaturen kombinierten sich Atomkerne und Elektronen zu Atomen, und das Universum wurde durchsichtig. Das geschah mehr oder weniger auf einen Schlag, als das Universum ungefähr 100 000 Jahre alt war - es werde Licht! Die Lichtstrahlen, die vorher nur kleinste Strecken zurücklegen konnten, bevor sie gestreut wurden, konnten nun plötzlich das ganze Universum durchqueren. Sie sind bis heute noch unterwegs und können als Hintergrundstrahlung im Radiowellenbereich nachgewiesen werden. Dies liefert uns ein Foto des Universums im Jugendalter von 100 000 Jahren!

Wir wollen nun noch viel weiter zurück in die Vergangenheit, sozusagen in die Babyzeit. Als das Universum gerade 10-11 Sekunden alt war (dies ist ein Hunderttausendstel einer Millionstel Sekunde), war es ungefähr 1015 Grad Celsius heiß - eine Million mal eine Milliarde Grad. Das ist leichter hinzuschreiben als sich vorzustellen. Zu diesem Zeitpunkt paßte unser ganzes heute beobachtbares Universum in ein Volumen von der Größe unseres Sonnensystems. Entsprechend dicht war die Materie gepackt: Etwa 108 mal die Dichte eines Atomkerns! Und es gab ein recht dramatisches Ereignis - den elektroschwachen Phasenübergang.

Um dieses Phänomen zu verstehen, benötigen wir Wissen aus der Elementarteilchenphysik. Dort werden die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft in einem vereinheitlichten Modell der ,elektroschwachen" Wechselwirkung beschrieben. Alle Kräfte werden durch den Austausch von Elementarteilchen vermittelt. Dabei bewirkt das masselose Photon die langreichweitigen elektrischen und magnetischen Kräfte, die Atomphysik, Chemie und biologische Vorgänge regieren. Die kurzreichweitige schwache Kraft ist verantwortlich für den radioaktiven Zerfall von Atomkernen. Sie wird durch die sogenannten W- und Z-Bosonen vermittelt, die vor einigen Jahren am CERN in Genf entdeckt wurden. Im Gegensatz zum Photon haben die W- und Z-Bosonen eine Masse. Das ist der einzige wesentliche Unterschied, er erklärt die unterschiedliche Reichweite und Stärke dieser Kräfte. Durch die vielfältigen experimentellen Bestätigungen der Vorhersagen des vereinheitlichten Modells wissen wir, daß Photon, W- und Z- Bosonen durch eine Symmetrie miteinander verknüpft sind. Wäre diese Symmetrie ungebrochen, müßten jedoch auch die W- und Z- Bosonen masselose Teilchen sein und langreichweitige Kräfte vermitteln. Die Lösung dieses Puzzles liegt in der Brechung der Symmetrie durch das Vakuum oder den Grundzustand. Ganz ähnlich zum vorher erwähnten Bild des Magneten richtet sich im Vakuum ein Feld mit einer bestimmten Ordnung aus. Die Ordnung bricht die Symmetrie und ist verantwortlich für die Massen der W- und Z-Bosonen.

Genaugenommen gelten diese bekannten Eigenschaften der Elementarteilchen jedoch nur bei Temperaturen unterhalb von 1015 Grad Celsius. Bei noch höheren Temperaturen zerstören wilde thermische Fluktuationen die Ordnung. Ganz entsprechend dem Magneten ist die Hochtemperatur-Phase gekennzeichnet durch Verlust von Ordnung und Gewinn an Symmetrie. Bei sehr hohen Temperaturen gibt es keine Symmetriebrechung durch das Vakuum. Photon, W- und Z-Bosonen haben nun alle die gleichen Eigenschaften. Der Unterschied zwischen elektromagnetischer und schwacher Kraft verwischt sich! Die höhere Symmetrie des Vakuums hat auch Konsequenzen für die Eigenschaften vieler anderer Elementarteilchen. So läßt sich bei Temperaturen oberhalb von 1015 Grad Celsius kein Unterschied zwischen Elektron und Neutrino mehr feststellen! Dieses Bild der Hochtemperatur-Phase ist durch theoretische Arbeiten inzwischen sehr gut abgesichert. Die Temperatur von 1015 Grad Celsius entspricht dabei einer Energie, die von heutigen Elementarteilchenbeschleunigern (CERN, Genf, oder Fermilab, Chicago) bereits erreicht wird. Bis auf einige wichtige noch zu füllende Lücken kennen wir daher auch experimentell die Teilcheneigenschaften in diesem Energiebereich. Und dennoch mag all das etwas akademisch erscheinen, angesichts der Tatsache, daß eine derart hohe Temperatur bei keinem Experiment in absehbarer Zukunft erreicht werden kann, und diese auch weit oberhalb der Temperatur der heißesten Sterne liegt.

Nur einmal in unserer Welt wurden bisher derart hohe Temperaturen erreicht - eben im Urknall des frühen Universums bei einem Alter von 10-11 Sekunden. Vor diesem Zeitpunkt muß sich das Universum in der Hochtemperaturphase befunden haben. Bei Abkühlung unterhalb der kritischen Temperatur - 1015 Grad Celsius in unserem Fall - ändern sich die Eigenschaften des Vakuums abrupt. Die Ordnung und Symmetriebrechung setzt ein, und erst ab diesem Zeitpunkt haben die Elementarteilchen ihre heute beobachteten Eigenschaften. Die ,neue Welt" unseres Eingangsmärchens wird geboren. Diese plötzliche Änderung insbesondere im Verhältnis der elektromagnetischen und schwachen Kraft nennt man den elektroschwachen Phasenübergang.

Der Phasenübergang ist nun ein recht dramatisches Ereignis in der Geschichte des frühen Universums. Zwar befindet sich auch vor und nach dem Phasenübergang das Universum in explosionsartiger Expansion, dennoch gibt es ein lokales thermisches Gleichgewicht, und das Universum kühlt recht kontinuierlich ab. Im gängigen Bild des Phasenübergangs (für Experten: ein Phasenübergang erster Ordnung) gibt es eine kurze Periode ohne thermisches Gleichgewicht. Während dieser bilden sich beim Abkühlen Blasen des neuen geordneten Vakuums innerhalb des alten symmetrischen Vakuums. Im Kosmos brodelt, blubbert, spritzt und rumort es - vergleichbar mit Dampfblasen in kochendem Wasser. Diese Blasen wachsen fast mit Lichtgeschwindigkeit, stoßen zusammen, platzen dabei auseinander oder verschmelzen zu noch größeren Blasen. Schließlich bleibt nur das neue Vakuum übrig und der Phasenübergang ist vollendet. Und alles geht extrem schnell, ungefähr in 10-12 Sekunden. Hier drängt sich sofort die Frage auf: Hinterläßt denn ein solch dramatisches Ereignis nicht Spuren, die heute noch beobachtbar sind? Ähnlich der Hintergrundstrahlung ergäbe ein solches Relikt einen neuen wichtigen Schlüssel zur Absicherung unserer theoretischen Vorstellungen und zu einem detaillierten Verständnis des Universums zu extrem frühen Zeiten. Eine der interessantesten Spekulationen der letzten Zeit besagt, daß es ein solches Relikt tatsächlich gibt - nämlich uns und mit uns die beobachteten Sterne und Galaxien!

Daß der Himmel voller Sterne und nicht leer ist, ist nämlich keinesfalls selbstverständlich. Sterne und Galaxien unseres Universums bestehen aus Materie, während Antimaterie im heutigen Universum nicht in nennenswertem Umfang vorhanden ist. In der Natur finden wir Protonen und Neutronen - aus ihnen bestehen wir zum größten Teil -, aber keine Antiprotonen oder Antineutronen. Letztere werden nur in Kollisionen in Teilchenbeschleunigern erzeugt oder treffen als Komponenten der Höhenstrahlung auf die Erde. Sie sind jedoch in normaler Umgebung extrem kurzlebig: Trifft nämlich ein Antiproton auf eines der vielen Protonen unserer Welt, so vernichten sich beide gegenseitig unter Erzeugung von Strahlung. Im heißen Plasma des frühen Universums gab es nun fast ebensoviele Antiprotonen wie Protonen - und Teilchen beider Sorten wurden laufend vernichtet und wieder neu erzeugt. Erst später, als das Universum abkühlte, wurde der Erzeugungsprozeß von Protonen und Antiprotonen langsamer und kam praktisch zum Erliegen. Die Vernichtungsprozesse hielten jedoch an. Jedes Antibaryon, das heißt Antiproton oder Antineutron, vernichtete jeweils ein Baryon, das heißt ein Proton oder Neutron. Gäbe es im frühen Universum ein exaktes Gleichgewicht zwischen Baryonen und Antibaryonen, so hätten diese sich im weiteren Verlauf der Geschichte vollständig vernichtet. Übrig bliebe ein Weltall ohne Materie! Öd und leer, bestehend nur aus Hintergrundstrahlung (und vielleicht sogenannter ,dunkler Materie"), aber ohne intelligente Wesen, um diese zu beobachten.

Um Sterne und Galaxien des heutigen Universums zu erklären, muß es im frühen Universum etwas mehr Baryonen als Antibaryonen gegeben haben. Die Häufigkeit der Sterne und Galaxien im heutigen Universum erfordert eine Asymmetrie von ungefähr 10-10. Zum Vergleich ein Bild: Nehmen wir an, die Weltbevölkerung bestünde aus 3000000001 Frauen und 3000000000 Männern. Findet nun jeder Mann eine Frau, so bleibt am Ende gerade noch eine ungebundene Frau. Sie steht in unserem Bild für den kleinen Rest an überschüssiger Materie, dem wir unsere Existenz verdanken. Doch woher kommt die winzige Baryonen-Asymmetrie im frühen Universum? Viele Hinweise deuten darauf hin, daß unmittelbar nach der Geburt unseres Universums keine Baryonen-Asymmetrie vorhanden war. Dann muß der winzige Baryonen-Überschuß aber irgendwann einmal in der Geschichte des Universums erzeugt worden sein. Der Friedensnobelpreisträger Sacharow wies schon früh darauf hin, daß dazu unter anderem eine Periode ohne thermisches Gleichgewicht nötig ist - und dies ist während des elektroschwachen Phasenübergangs vielleicht der Fall. Es stellt sich damit die faszinierende Frage: Wurde die Baryonen- Asymmetrie und damit die Grundlage unserer Existenz während des Tumults im elektroschwachen Phasenübergang erzeugt? Noch gibt es keine gesicherte Antwort auf diese Frage. Das Hauptproblem ist, daß die plötzliche Änderung während des Phasenübergangs groß genug sein muß. Wie wir zeigen konnten, läßt sich der Phasenübergang quantitativ nicht mit den gängigen Methoden der Feldtheorie (Störungstheorie) beschreiben. Daher haben wir einen neuen theoretischen Zugang entwickelt, dessen Zuverlässigkeit jedoch zuerst an anderen Problemen, wie zum Beispiel dem Phasenübergang in Supraleitern, getestet und mit numerischen Simulationen verglichen werden soll. Eine quantitative Abschätzung der Baryonen-Erzeugung während des elektroschwachen Phasenübergangs wird auf jeden Fall spannend sein: denn, wenn nicht, wann sonst? Und, wenn ja, winkt überprüfbares Wissen über die ersten 10-11 Sekunden unserer Zeit.

Autor:
Prof. Dr. Christof Wetterich
Institut für Theoretische Physik, Philosophenweg 16, 69120 Heidelberg,
Telefon (06221) 56 93 40