Und doch taucht dieser verstörende Parameter immer wieder neu auf, wenn es darum geht, die Theorie den kosmologischen Beobachtungen anzupassen. In jüngster Zeit erlebte sie ein wahres Comeback, als die Astrophysiker feststellten, dass sich die Ausdehnung unseres Universums beschleunigt. Die kosmologische Konstante verhält sich wie Materie, deren Gravitationsfeld abstoßend wirkt und so diese Beschleunigung erklären könnte.

Wir werden sehen, dass die Diskussion der Wissenschaftler neuen Schwung bekam, als sie erkannten, dass sich das Quantenvakuum wie eine kosmologische Konstante verhält, dass aber die Energiedichte des Vakuums, wie sie die Quantenmechanik schätzt und die, die der kosmologischen Konstante entspricht, um den Faktor 120 auseinander liegen. Seitdem treibt diese Feststellung ebenso Fragestellungen über die Dichte des Vakuums an wie solche über die kosmologische Konstante und die Beschleunigung der Ausdehnung des Universums. Die Entwicklungen der Kosmologie und der Teilchenphysik haben aus diesem Parameter von zweifelhafter Bedeutung einen zentralen Punkt der aktuellen theoretischen Physik gemacht.

Das statische Universum wird dynamisch

In den Augen des Vaters der allgemeinen Relativitätstheorie hatte das Universum statisch und ewig zu sein. Sein Volumen sollte endlich sein, also nur eine begrenzte Menge Materie enthalten. Doch sehr bald erkannte Einstein, dass diese beiden Bedingungen unvereinbar sind mit den Gleichungen zum Gravitationsfeld, wie sie die allgemeine Relativitätstheorie vorgibt. Um nicht mit seinen philosophischen Überzeugungen in Konflikt zu geraten, sah der Physiker nur eine Lösung: eine neue Konstante, das Kosmologische Glied, in seine Berechnungen einzuführen. Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie setzen die Geometrie der Raumzeit, also die Gravitation, in Beziehung zu ihrem materiellen Inhalt. Daher kann man die Konstante beliebig auf der einen oder der anderen Seite der Gleichung einführen, sie entweder als eine Eigenschaft der Raumzeit interpretieren oder als eine zusätzliche «Materie» besonderer Art – eine Art negativen Druck darstellend (in einem Gefäß würde die Wände anziehen statt sie abzustoßen) und, was ihren Wert angeht, ihrer Energiedichte entgegengesetzt. Seit ihrer Einführung wirft diese Konstante also das Problem ihrer physikalischen Auslegung auf.

Einige Jahre später interessieren sich die Physiker Alexander Friedmann und Georges Lemaître für kosmologische Lösungen der allgemeinen Relativitätstheorie. Unabhängig voneinander gelangen sie 1922 bzw. 1927 zur gleichen Schlussfolgerung: das Universum kann nicht statisch sein, und dementsprechend muss sich der Raum ausdehnen. In seinem Artikel von 1927 liefert Lemaître sogar die erste Konsequenz dieser Expansion: die sich entfernenden extragalaktischen Spiralnebel, wie sie Edwin Hubble schon 1924 beobachtet hat. Einstein wird die Ausdehnung als Konsequenz seiner Theorie erst Anfang der 1930er Jahre anerkennen und damit gleichzeitig sein kosmologisches Glied zurückziehen.

Doch auch, nachdem ihr Schöpfer sie aufgegeben hat, bestrickt die Kosmologische Konstante  noch die Physiker, denn sie gestattet eine Lösung für das Problem des Alters des Universums. Die ersten kosmologischen Modelle, noch ohne kosmologische Konstante, gaben dem Universum ein Alter von ungefähr 2 Milliarden Jahren, jünger also als die Erde, deren Alter durch geochemische Methoden auf rund 4.5 Mrd. Jahre geschätzt wurde. In seiner systematischen Studie der kosmologischen Modelle hatte Lemaître schon festgestellt, dass eine kosmologische Konstante die Ausdehnung zeitweise „einfrieren“ und so dem Universum erlauben könnte, ein Alter zu haben, das den empirischen Beobachtungen entsprach.

In den folgenden Jahrzehnten wird die Debatte um die kosmologische Konstante immer weiter genährt. Die Kosmologen stehen in der Tat vor einem eindrucksvollen Problem: sie müssen das Gesetz eines sich ausdehnenden Universums in Einklang bringen mit dessen materiellen Inhalt und mit der so genannten Hubble-Konstante, die das Verhältnis zwischen der Entfernung von Galaxien und deren Fluchtgeschwindigkeit beschreibt. Daraus können sie dann das Alter des Universums ablesen, das größer sein muss als die ältesten darin beobachteten Objekte. Doch der gemessene Wert der Hubble-Konstante ändert sich je nach Beobachtung und Liste der betrachteten Himmelskörper, und immer wieder taucht das Problem des Alters des Universums auf. Aus den zahlreichen Beobachtungen konnten Katalog von Galaxien aufgestellt werden, in denen sich fast hundert Millionen Objekte befinden. Auch die kosmische Hintergrundstrahlung, ein elektromagnetisches Fossil, entstanden rund 300 000 Jahre nach dem Urknall, konnte mit wachsender Präzision gemessen werden, vom COBE-Satellit und, kürzlich erst, vom Satelliten WMAP. Und schließlich erlauben neue Techniken die Kartographie der Verteilung nicht leuchtender Materie im All.

Die Schlüsse aus alledem sind erstaunlich. Besonders die Beobachtung entfernter Supernovae 1998 drängt eine Schlussfolgerung auf, die andere Beobachtungen bereits ahnen ließen. Zwei Teams von Astronomen konnten zeigen, dass solche Supernovae systematisch weniger leuchtstark und weiter entfernt waren, als ihre Rotverschiebung in einem sich immer langsamer ausdehnenden Universum anzeigen würde. Nur eine Erklärung ist möglich: das Universum ist seit mehreren Milliarden Jahren in einer Phase sich beschleunigender Ausdehnung. Doch wenn die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation korrekt beschreibt, kann keine normale Form von Materie eine solche Beschleunigung erklären.

Genauer gesagt zeichnet sich folgende Zusammensetzung des Universums ab: 0,005 Prozent Strahlung (Photonen), rund 5 Prozent übliche Materie (Atomkerne), 23 Prozent dunkle Materie und 72 Prozent einer exotischen Materie, deren Eigenschaften sich von denen der anderen Materieformen grundlegend unterscheiden und die für die jüngste Ausdehnung des Universums verantwortlich wäre.

Was wissen wir über die Natur dieser Materie? Die Ausdehnung des Universums wird bestimmt durch eine Kombination von Energiedichte und Druck aus dem materiellen Inhalt  des Alls. Um den Effekt eines der Bestandteile des Universums auf die Ausdehnung zu berechnen, wird eine so genannte Zustandsgleichung aufgestellt, in der w das Verhältnis aus Druck und Energiedichte ist. Für die normale Materie ist der Druck vernachlässigbar, es gilt also w = 0. Für die Strahlung, die sich aus ultrarelativistischen Teilchen zusammensetzte, konnte w = 1/3 nachgewiesen werden. Damit aber das Universum eine beschleunigte Ausdehnung erfährt, kann gezeigt werden, dass es einen Bestandteil enthalten muss, dessen Zustandsgleichung w deutlich unter –1/3 ist.

Die Zustandsgleichung für das kosmologische Glied, das Einstein einführte, interpretiert man es im Sinne einer zusätzlichen Materie, ist w = –1. Diese kosmologische Konstante erschien also als Kandidat erster Wahl, um die beobachtete Beschleunigung der Ausbreitung des Universums zu erklären. Damit würde sie wieder einmal unumgänglich für das Verständnis der jüngsten Beobachtungen. Doch diese Rechnung wurde ohne die Implikationen einer Verbindung zwischen der Kosmologischen Konstanten und der Natur des Quantenvakuums gemacht.