15. Mai 2004 | 59

Nach einer solchen Expansion würde dieser bei weitem nicht mehr in unser heuti-
ges Universum passen.
Als Folge dieser drastischen Vergrößerung befand sich das Weltall zu einem
früheren Zeitpunkt in einem sehr geordneten Zustand: Der starke Verdünnungsef-
fekt führte zu einem weitgehend „leeren“ Universum das bis nahe an den absoluten
Temperatur-Nullpunkt abgekühlt war. Nur winzigste Bruchteile einer Sekunde spä-
ter änderte sich dies grundlegend: Eine explosive Teilchenproduktion verwandelte
das Universum in ein dichtes, heißes Plasma mit einer unvorstellbar hohen Tempe-
ratur von etwa 1027 Grad Celsius. Dies ist um ein Vielfaches, etwa IO20 mal, heißer
als das Innere unserer Sonne. Eine frühes „Foto“ nach dieser Explosion ist uns noch
heute in Form der kosmischen Hintergrundstrahlung erhalten.
Es ist eine große Herausforderung für die theoretische Physik, diese Ergebnis-
se aus grundlegenden Naturgesetzen abzuleiten. Ein Resultat ist in Bild 3 wiederge-
geben, wo als Beispiel der Anteil der produzierten Teilchen an der Gesamtenergie
dargestellt ist. Dieser Anteil „ETeilchen“ ist in Abhängigkeit von der Zeit nach der
inflationären Phase aufgetragen. Man beobachtet ein exponentiell schnelles Anstei-
gen der Teilchen-Energie, was durch ein ebenso drastisches Anwachsen der Teilchen-
Zahl verursacht ist.

Bild 3


Das Verständnis dieser dramatischen Phänomene erforderte neue Methoden
zur Berechnung der Dynamik von Quanten-Feldern fern des Gleichgewichts,
einschließlich ihrer Thermalisierung. Hierzu haben unsere Arbeiten am Institut für
Theoretische Physik der Universität Heidelberg einen wesentlichen Beitrag geleistet.
Erstmals kann die explosive Teilchenproduktion am Ende des inflationären Uni-
versums in einer Quanten-Feldtheorie quantitativ beschrieben werden (J. Berges,
J. Serreau, Physical Review Leiters 91 (2003) 111601). Die Quanten-Natur des Phä-
nomens spielt eine entscheidende Rolle für den Zugang zum thermischen Gleich-
gewicht und das Verständnis der beobachteten Schwankungen. Aus grundlegenden
Prinzipien lässt sich damit insbesondere das plötzliche Ansteigen der Entropie, d.h.
der Unordnung im Universum verstehen. Die Methoden erlauben weiterhin eine
Vielzahl von neuen Anwendungen in der Kosmologie und Elementarteilchenphysik
mit interdisziplinären Verbindungen zur Physik komplexer Systeme.