Inhalt

Title Page

Impressum

Vorab

Die Vorstellungen vom ganz Großen

Die Entdeckung des Kosmischen

Die große Debatte

Warum ist es nachts dunkel?

Die Galaxien auf der Flucht – und der Papst auch

Ein Irrtum als große Entdeckung

Das verschobene Licht

Der Witz mit dem Urknall

Am Anfang war ...

Nicht nur Kugeln, auch Orden gehen oft daneben

Kosmische Rippeln – zur rechten Zeit am richtigen Ort

Alles Urknall – oder was?

Die variabelste Konstante des Universums – noch immer eine Beliebige

Ein Stern oder kein Stern – die mysteriösen Quasisterne

Es kann aber trotzdem noch ganz anders sein

Überhaupt: Quasare

Die Kurven einer Frau beeindrucken oft, manchmal sogar Wissenschaftler

Das Universum hat ein ‚Frauen-Problem’ – es ist zu flach

Eine kühne Theorie löst Probleme – und schafft neue

Die dunkle Materie ist unsichtbar – vor allem aber unauffindbar

Heiße Kandidaten: gefrorene Superfäden

Vielleicht findet man Dunkle Materie dort - wo sie nicht ist

Einsteins Eselei oder noch eine unendliche Geschichte

Die Expansion gibt Gas

Planetensysteme – Zufall oder Selbstverständlichkeit

Ein schwaches Prinzip mit Stärken - und das starke mit Schwächen

Ein Standard-Modell mit wenig Standard

L i t e r a t u r n a c h w e i s

Übersicht

Vorab

Hier folgt nun Das Universum auf der Flucht als Teil II der Weltbilder sind Zeitbilder.

Nachdem ich im Teil I einige notwendige allgemeine Fragen abgehandelt und einen kurzen Blick in die Historie  der Physik gewagt hatte, waren dann die Quanten- oder Teilchenphysik sowie die Relativitätstheorien Gegenstand der Betrachtungen. Ich habe sie im Teil I eingeordnet, weil sie in gewisser Hinsicht Grundlagentheorien darstellen. Auf diesen Vorstellungen bauen auch andere Theorien und Interpretationen von Beobachtungsfakten auf; nicht immer in direkter Weise, aber sie waren doch ganz wesentlich für die Ausprägung des Weltbildes der Physik im weitesten Sinne, mit dem wir es heute zu tun haben. Es wäre jedoch nur die halbe Wahrheit, würden wir daran alles messen wollen. Unser physikalisches Weltbild ist vielfältiger, komplexer, umfassender und hat noch weitere interessante Facetten. Mit solchen werde ich mich im Teil II  und auch im Teil III beschäftigen. Hier jetzt Teil II.

Die Vorstellungen vom ganz Großen

Die Entdeckung des Kosmischen

Bekanntlich gibt es nicht nur das ganz Kleine und das ganz Schnelle. Das ganz Große war schon viel früher in das Blickfeld des Menschen geraten, denn die Sterne sah er über sich, seit er sich seiner Umwelt bewusst geworden war. Auch bezüglich jenes Teils unseres Weltbildes, der sich der Betrachtung des Universums in seinen kosmischen Dimensionen widmet, hat sich mit Kopernikus, Kepler, Galilei, Kant, Newton u. a. eine wissenschaftliche Betrachtungsweise begonnen zu entwickeln und durchzusetzen, die auf Fakten und Beobachtungstatsachen Bezug nahm und der Herrschaft der Naturgesetze den Vorrang im kosmischen Geschehen erteilte.

Die Frage, was es mit den unzähligen Sternen, den Planeten, den nebelartigen Lichtflecken und sonstigen funkelnden Lichterscheinungen, die jeder am nächtlichen Himmel beobachten konnte, eigentlich auf sich hat, war ganz selbstverständlich in die nichtmythologische Betrachtungsweise der Natur einbezogen, ja stand sogar ziemlich am Anfang der Bemühungen, über Aristoteles hinauszuwachsen. Die Erkenntnis, dass die Planeten die Sonne umkreisen und mit ihr ein in sich geschlossenes System darstellen, war eine bedeutende Leistung.

Ja gut, und weiter? Wie war dieser Sternenhimmel eigentlich strukturiert? Was hatte es mit den unzähligen Lichtpünktchen im Kosmos auf sich? Welche Stellung nahm die Sonne und ihr Planetensystem eigentlich ein? Galilei, Kopernikus und Kepler hatten eine sehr wichtige Frage beantwortet. Aber lange war man nicht darüber hinaus gelangt.

Es lag zunächst ja nahe, die so genannten Fixsterne als ferne Sonnen zu betrachten. Bereits Isaac Newton (1643-1727) schrieb: Das Licht der Fixsterne ist von derselben Natur, wie das der Sonne, und alle Systeme senden einander ihr Licht zu. Aber das Universum Newtonscher Vorstellung war etwas eintönig, denn es war von sonnenähnlichen Sternen völlig gleichförmig ausgefüllt.

Der englische Instrumentenbauer Thomas Wright (1711-1786) machte es da schon interessanter. Er äußerte die Ansicht, die Sterne des Universums müssten in einem Gebilde ähnlich einer flachen Scheibe oder einem Ring angeordnet sein. Das war nicht nur so eine laxe Idee. Wright hatte sich die Frage vorgelegt, warum wir, wenn wir in den Sternenhimmel starren, dieses helle Band der Milchstraße mit den auffällig mehr Sternen (oder mehr Licht) sehen. Dieser Effekt kann gut dann auftreten, wenn wir in Richtung der Ebene einer Scheibe oder eines Rings blicken. Richtet sich unser Blick dagegen in eine andere Richtung, etwa senkrecht zur Ebene des Gebildes, stehen in dieser Richtung weniger Sterne. Das war eine noch heute gültige Interpretation des ‚Milchstraßen-Effekts’. Wright stellte sich auch vor, ohne dass zu jener Zeit entsprechende Beobachtungstatsachen gegeben waren, es könne im Universum mehrere solcher Strukturen geben.

Dass es im Universum mehrere Milliarden Sternensysteme ähnlich unserer Milchstraße gibt, ist uns heute selbstverständlich. Dabei war das noch der Generation meines Großvaters sehr zweifelhaft. Die Geschichte der Entdeckung außergalaktischer Sternenansammlungen ist ein weiteres Kapitel der Wissenschaftsgeschichte voller Irrtümer, Vorurteile, Streitigkeiten und falscher Schlussfolgerungen. Vor allem ist es eine Geschichte, die sich fast 200 Jahre hinzog. Zwar war die Erde aus dem Mittelpunkt des Universums verbannt worden, aber dort stand jetzt die Sonne. Das war Fortschritt, aber die Struktur des Ganzen war damit noch nicht aufgeklärt.

Es erscheint aus heutiger Sicht schon etwas erstaunlich, dass die Astronomen trotz gelegentlich vager anderer Vermutungen noch lange dem heliozentrischen Bild folgten, indem sie bei Anerkennung der Möglichkeit bestimmter struktureller Anordnungen der Sterne die Sonne im Mittelpunkt beließen. Auch erstaunlich ist, dass es nicht die durch ihre Teleskope starrenden Astronomen, sondern schließlich Philosophen waren, die die Idee mit den Galaxien aufbrachten. Vermutlich war es der Schwede Emanuel Swedenborg (1688-1772), der 1734 und damit als Erster davon sprach, die ‚Milchstraße’ könne eine ‚Sternensphäre’, eine Ansammlung von Sternen in einem bestimmten Raumgebiet sein und es könne zahllose Sphären gleicher Art geben. Ähnliche Ansichten vertrat der englische Naturphilosoph John Mitchell (1724-1793), der als Pfarrer wenigstens noch über eine besondere Verbindung zu den Angelegenheiten des Himmels verfügte. Jedenfalls ist das zu hoffen.

Noch präziser äußerte sich ein anderer, bedeutender, das Universum auch nicht selbst ‚besichtigender’ Philosoph. Immanuel Kant (1724-1804) beschrieb 1755 die Milchstraße als eine aus Sternen bestehende Scheibe, die sich um einen Mittelpunkt dreht. Ausführlich begründete er, warum die Milchstraße die Struktur einer Scheibe haben müsse und wunderte sich, dass die Beobachter des Himmels, also die Astronomen, das noch nicht bemerkt hatten. In seinem Modell existierten auch entfernte Milchstraßen gleicher Struktur. Kant war überzeugt, “ …dass endlich die Fixsterne als eben so viel Sonnen Mittelpunkte von ähnlichen Systemen seien, in welchen alles eben so groß und eben so ordentlich als in dem unsrigen eingerichtet sein mag, und dass der unendliche Weltraum von Weltgebäuden wimmele, deren Zahl und Vortrefflichkeit ein Verhältnis zur Unermesslichkeit ihres Schöpfers hat.” (Immanual Kant; Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels oder Versuch von der Verfassung und dem mechanischen Ursprunge des ganzen Weltgebäudes, nach Newtonschen Grundsätzen abgehandelt; Königsberg; 1755)

Er vermutete, die von den Astronomen beobachteten hellen Nebel “… nicht einzelne so grosse Sterne, sondern Systemata von vielen seien, deren Entfernung sich in einem so engen Raum darstellt, dass das Licht, welches von jedem derselben einzeln unmerklich ist, bei ihrer unermesslichen Menge in einem einförmichten blassen Schimmer ausschlägt.” (a.a.O.)

Mit anderen Worten, Kant sagt hier klar und deutlich, die Nebel würden sich nur wegen der großen Entfernung nicht in einzelne Sterne auflösen lassen, trotzdem aber solche Systeme sein. Er war sich aber offensichtlich darüber im Klaren, dass möglicherweise nicht alle Nebel solche ferne Sternensysteme sein müssen. Das müsse man untersuchen und prüfen, meinte er.

150 Jahre später stritten sich die Astronomen noch immer darüber.

Von Kant stammt auch die Vorstellung, viele dieser fernen Milchstraßen-Objekte sollten wiederum ein System, eine Gruppe bilden, die sich um einen gemeinsamen Mittelpunkt dreht. Die Kant'sche Vorstellung deckt sich mit heutigen astronomischen Vorstellungen, die die Galaxien den Galaxienhaufen und diese wiederum den so genannten Superhaufen zuordnen. Kant war es gelungen, aus den ihm bekannten wenigen Beobachtungstatsachen zu Vorstellungen zu finden, die erst sehr viel später durch ungleich mehr Beobachtungen und nach teils heftigen Streitigkeiten tatsächlich relevant wurden. Nicht immer müssen also Vorstellungen, für die es keine Beobachtungstatsachen gibt, ins Reich der Illusion verbannt werden. Logik und Intuition können das Denken mitunter schon auf die richtige Spur lenken, obwohl die Beobachtungstatsachen das erst später vermögen.

Allerdings war auch lange unklar, ob es denn tatsächlich Sternensysteme außerhalb der Milchstraße geben könne. Das zu vermuten ist die eine Seite, der Nachweis war so einfach jedoch nicht. Es ist daher auch wenig überraschend, dass Kants Vorstellung keineswegs auf die allgemeine Zustimmung der Astronomen stieß. Bis in das 20. Jahrhundert hinein hielt sich die helio- bzw. anthropozentrische Vorstellung hartnäckig. Selbst als Shapley 1918 (!) bei seinen eigenen Forschungen starke Hinweise erhielt, dass die Sonne weit vom Zentrum der Milchstraße entfernt ist, folgerte er, dann müsse eben die Milchstraße im Mittelpunkt des Universums stehen.

Endlich ausgerüstet mit leistungsfähigeren Geräten und Instrumenten machten sich die Astronomen deshalb systematisch auf die Suche nach solchen extra-galaktischen Systemen. Man stieß auf eine stets größer werdende Anzahl von merkwürdigen Gebilden. Einige davon konnte man in klaren Nächten sogar mit dem bloßen Auge erkennen. Es waren diffuse Gebilde, verschwommene Lichtflecken, für die man zunächst keinen treffenderen Begriff fand als den von Nebeln. Solche Nebel waren übrigens schon seit dem 8. Jahrhundert bekannt.

Der Verdacht, Kant könnte Recht haben und es könne sich bei den Nebeln möglicherweise nicht um diffuse Materie, sondern um Sternenansammlungen handeln, wurde nur selten gehegt und noch seltener ausgesprochen. Aber immerhin begann man, den Nebeln spezielle Aufmerksamkeit zu widmen. Der Franzose Charles Messier (1730-1817) erfasste in einem Katalog bereits 103 solcherart Objekte. Der 964 nach Christi als Fixstern registrierte, vom persischen Astronomen Abd ar-Rahman as-Sufi (902-986) aber schon als „kleine Wolke“ bezeichnete Andromeda-‚Nebel’, eine Nachbargalaxie der Milchstraße, erhielt darin die auch heute noch gebräuchliche Nummer M 31 (M nach Messier). Noch aber wurden die Objekte Nebel genannt; nur wenige Astronomen hatten die stille Hoffnung, es könnte sich um ferne Sternenansammlungen handeln. Schließlich konnten in den Nebeln keine einzelne Sterne nachgewiesen werden, ja man konnte nicht einmal genau sagen, ob sich ein bestimmter Nebel innerhalb der Milchstraße oder außer ihr befand. Unter den Astronomen entwickelte sich darüber ein lang andauernder, heftiger, aber im Grunde sinnlosen Streit. Auf die naheliegende Antwort, die dann später gefunden wurde, kam zunächst keiner der Streithähne.

Ein wichtiges Kapitel im noch sehr schmalen Buch der Astronomie verfasste der Deutsche Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822), der in England mehr als William Herschel bekannt und berühmt wurde. Herschel war zunächst Militär-Musiker in Hannover. 1757 flüchtete er vor den französischen Truppen nach England, wo er sich dauerhaft niederließ. Auch hier verdiente er seinen Lebensunterhalt zunächst als Musiklehrer, Organist und Komponist. Immerhin schuf er 24 Symphonien und viele Musikstücke der Kirchenmusik. Im Gegensatz zu dem, über das gleich zu berichten ist, sind seine musikalischen Leistungen nahezu vollständig in Vergessenheit geraten. Ob zu recht, vermag ich nicht zu beurteilen. Ohnehin entdeckte William Herschel schon bald die Astronomie für sich. Er stellte sich mutig die Aufgabe, eine möglichst vollständige Liste aller Sterne und Nebel anzufertigen und mittels der Sternzählung ein Bild der Sternverteilung zu zeichnen. Besonders die Nebelflecken hatten es ihm angetan. Schnell begriff er allerdings, dass die damals verfügbaren Teleskope dafür nur sehr bescheidene Möglichkeiten boten. Also machte er sich kurzentschlossen daran, geeignete Teleskope selbst zu bauen. Dabei entwickelte er eine solche Präzision, dass er mit dem gelegentlichen Verkauf des einen oder anderen Gerätes etwas Geld verdienen konnte, was es ihm ermöglichte, mehr Zeit der Astronomie zu widmen.

Die Liste der Entdeckungen, die Herschel auf sein astronomisches Erfolgskonto verbuchen konnte, ist lang und eindrucksvoll. Ganz zuerst ist da wohl die Entdeckung des nach dem damals aktuellen britischen König benannten Georgsgestirns zu nennen, da diese dem bis dahin Amateurastronomen ersten Ruhm und Anerkennung brachte. Schließlich entdeckt niemand alle Tage, hier war es der 13. März 1781, einen solchen Himmelskörper.

Aber Georgsgestirn – was ist das denn für ein besonderes Objekt? Das erklärt sich uns heute, wenn wir wissen, dass der Georgsstern nach heftigen Protesten der Astronomengilde – warum auch sollte der Name eines weltlichen Herrschers in einer Reihe mit denen griechischer Götter stehen – in Uranus umbenannt wurde. Die kurze Geschichte des Uranus zeigt auch, wie es damals noch um die Astronomie bestellt war. Nachdem Herschel verkündet hatte, er habe einen neuen Planeten entdeckt, stellte sich heraus, dass das Objekt auch schon von anderen Astronomen gesichtet worden war. Man hatte es gesehen, aber wusste nichts damit anzufangen oder wollte sich keine Mühe damit machen. Erst Herschel hatte sich mit der Bewegung des Objektes und den Bahndaten genauer beschäftigt und es so als Planet identifiziert. Trotzdem wurde Herschel noch als blutiger Amateur und aus Deutschland hergelaufener Musiker betrachtet und seine Entdeckung nicht sehr ernst genommen. Das änderte sich noch im Verlauf des gleichen Jahres, als namhafte Astronomen Herschels Daten bestätigten und noch genauer berechneten. Im Dezember des Entdeckerjahres wurde Herschel bereits Mitglied der Royal Society.

Herschel entdeckte auch das Ringsystem des Uranus, was allerdings bis 1977 (!) als Irrtum galt. Zwei Monde des Uranus, zwei Saturnmonde, die Infrarotstrahlung der Sonne, die Rotationsperiode des Saturn und die Atmosphäre der Venus gehen ebenfalls auf sein Entdeckerkonto. Er fand auch als Erster heraus, dass es nicht immer zufällig ist, wenn zwei Sterne dicht beieinander stehen. So gelang es ihm, einen Katalog von 848 Doppelsternen zu erstellen; Sterne also, die, durch die Schwerkraft verbunden, einander umlaufen. In einem kleinen Ausschnitt des Sternenhimmels zählte er mehr als 50.000 Sterne. Nach einer Hochrechnung ihrer Verteilung kam er zu dem Schluss, das Universum (die Milchstraße galt noch als das ganze Universum) müsse ein abgeflachtes Gebilde ähnlich einer Amöbe sein.

Auch sein Interesse an den Nebelflecken zeigte Erfolge. Der Herschel-Katalog der Nebelobjekte – Ergebnis der Arbeit zwischen 1782 und 1802 – umfasste schließlich mehr als 2.500 Einträge (!). Aber selbst seine akribische Fleißarbeit brachte noch keine Entscheidung, um was es sich bei den Flecken handeln könnte. Allerdings konnte er einige Nebel bereits in Einzelsterne auflösen. Er schloss zunächst daraus, bei allen Nebeln müsste es sich um Sternenansammlungen handeln. Als er dann aber den Nebel mit der Katalognummer NGC 1514 genauer in Augenschein nahm, bemerkte er in ihm einen einzelnen Stern, der von nebelartiger Materie umgeben war. Die Vermutung, alle Nebel könnten ferne Systeme mit vielen Sternen sein, war also offensichtlich so allgemein nicht haltbar. Daher revidierte er seine Ansicht wieder. Tatsächlich können Nebel Ansammlungen von Gas und Staub sein, in denen sich ein Stern bildet. Solche Nebel kann man jedoch nur beobachten, wenn sie sich in der Milchstraße befinden. Nebel als Ansammlung von Sternen befinden sich in großer Entfernung. Da man in der Bestimmung der kosmischen Entfernungen noch sehr in Anfängen steckte und zudem die Überzeugung, die Milchstraße sei das ganze Universum, noch nicht durch Fakten eindeutig widerlegt war, war es für die Forscher schwierig, bei der Betrachtung von Nebeln sicher zwischen Sternentstehungsgebiet und ferner Galaxie zu entscheiden.

William Herschel wurde ob seiner erfolgreichen Arbeit mit zahlreichen Ehrungen bedacht. Er wurde zum Mitglied der Royal Society und der American Academy of Arts and Sciences gewählt, gehörte der russischen und der preussischen Akademie der Wissenschaften an, wurde zum Ritter geschlagen, erhielt ein Ritterkreuz und König George III. zahlte ihm eine jährliche Vergütung. Die eben erst gegründete Royal Astronomical Society wählte ihn zu ihrem ersten Präsidenten.

Was in den Würdigungen der Leistungen Herschels immer etwas untergeht ist die Tatsache, dass es sich bei den Herschels um eine ganze Astronomen-Familie handelt. William wurde von seinem Bruder Alexander unterstützt. Vor allem ohne die Mitarbeit seiner Schwester Caroline Lucretia Herschel (1750 - 1848) wären die Entdeckungen auch nicht so reichlich ausgefallen. Caroline, wie damals üblich als Mädchen vor allem in Hausarbeit und züchtigem Benehmen “ausgebildet”, sollte nach Williams Willen eigentlich eine Karriere als Sängerin machen. Zunächst widerwillig, dann mit zunehmendem Interesse assistierte sie stattdessen ihrem Bruder bei dessen astronomischen Aktivitäten. William, längst selbst ganz der Astronomie verfallen, unterwies seine Schwester schon bald unermüdlich und bei jeder Gelegenheit in den astronomischen und mathematischen Techniken und machte sie so zu seiner wichtigen Assistentin. Die Geschwister sollen eine beispielhaften arbeitsteiligen Zusammenarbeit entwickelt haben. William hantierte mit den Teleskopen und Caroline berechnete und registrierte sorgfältig die Daten. Caroline machte sich später durch eigenständige astronomische Leistungen einen guten Namen. Sie entdeckte mehrere Kometen und erstellte einen schon recht umfangreichen Sternen- und Nebelkatalog.

Williams Sohn John Frederik William Herschel (1792 - 1870) entdeckte weitere 5.000 (!) Nebel und bestätigte die Spiralstruktur des Nebels M 51. Er veröffentlichte mehrere Kataloge und Werke über Astronomie. Besonders hervorzuheben seine Beobachtungen des Sternenhimmels über der bis dahin sehr vernachlässigten Südhalbkugel. Den Orionnebel zeichnete er detailgenau, seine handgezeichnete Karte der Großen Maggelanwolke gilt als die beste ihrer Art.

Und noch ein Herschel machte sich einen Namen als Astronom. Alexander Stewart Herschel (1836 - 1907), der mittlere von Johns drei Söhnen, Professor für Mechanische und Experimentelle Physik an der Universität Glasgow, wurde ein Spezialist für Meteore, beschäftigte sich mit Phänomenen der oberen Atmosphäre und mit der Sonnenaktivität.

Die Herschels irrten sich in manchen ihrer Schlussfolgerungen und Interpretationen der Beobachtungen, denn schließlich unterlagen auch sie, trotz allem Streben nach Neuem, den Denkgewohnheiten ihrer Zeit. Aber wie kaum eine andere Familie haben sie eine Vielzahl von Beiträgen zum Verstehen des Sternenhimmels geleistet. Vor allem haben sie sich Verdienste in der Genauigkeit der Beobachtungen und Berechnungen erworben. Astronomie wurde, nicht allein, aber maßgeblich durch sie, mehr und mehr von der Sternenguckerei zu einer Wissenschaft.

Zurück zu den Nebeln. Deren Charakter war noch immer nicht geklärt. John Herschel hatte zwar wieder seinen Vater korrigiert und die Vorstellung vertreten, alle Nebel seien Ansammlungen von Sternen. Aber sicher war das noch immer nicht. Man wusste, John Herschel hatte das ja gezeigt, dass der Nebel M 51 spiralförmig und abgeflacht ist. Da man sich inzwischen die Milchstraße von genau dieser Form vorstellte, wies die Beobachtung in Richtung der Auffassung, die Nebel könnten ‚Welteninseln’ sein.

Dann kam Sir William Huggins (1824 - 1910), Brite, Physiker und Astronom. (Sir wurde er allerdings erst 1897 in Würdigung seiner Verdienste.) Huggins hatte sich 1856 eine private Sernwarte eingerichtet und betrieb schon bald ganz neuartigen Forschungen. Dem lag die Entdeckung Kirchhoffs zugrunde, dass die Linien im Sonnenspektrum ganz bestimmte chemische Elemente zur Quelle haben. Das brachte Huggins auf die Idee, auch die Spektren von Sternen und Nebeln – er hatte sich extra ein Spektroskop gebaut – auf ihre Linien hin zu untersuchen. Die Spektralanalyse war erfunden. Mit ihrer Hilfe konnte Huggins nachweisen, dass Sterne auch nur Elemente besitzen, wie man sie auf der Erde findet.

Zu dumm aber auch – 1865 bemerkte Huggins im Spektrum des Orionnebels Emissionslinien, die eindeutig von einem bei einem diffusem Materienebel zu erwartenden gasförmigen Zustand kündeten, während das Spektrum des M 31 jedoch die typischen Linien von Sternen aufwies. Es hätte nun schon die Schlussfolgerung nahe gelegen, es gäbe sowohl echte Materienebel als auch Nebelflecken, die ferne Sternensysteme sein könnten. Huggins zog eine ganz andere Schlussfolgerung. M 31 sei eben ein besonders dichtes Gas und also auch nur ein Nebel und keine Sternenansammlung.

1890 schrieb die angesehene britische Astronomin, Mitglied der Royal Society und der Royal Astronomical Society, Agnes Clark (1842 - 1907) kategorisch:

„Die Frage, ob die Nebel extragalaktischer Natur sein können, braucht nicht mehr erörtert werden; der Fortschritt der Forschung hat sie beantwortet. Man kann mit Bestimmtheit sagen, kein führender Kopf wird heute noch unter der Wucht der Tatsachen behaupten, auch nur ein einziger Nebel sei ein Sternsystem ähnlich unserer Milchstraße.“

(Agnes Clark; zitiert in J. N. Jefremow; In die Tiefen des Weltalls; MIR, Moskau + BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig; 1977; S.73)

Ob Stern oder Nebel, alles gehöre zu einer einzigen großen Sternenansammlung, eben der Milchstraße.

Angesichts so mancher kategorischen Verkündung der Wissenschaft in unseren Tagen sollte man sich daran erinnern, wie weit an der Wirklichkeit auch schon in früheren Zeiten Behauptungen vorbei zielten, selbst wenn sie sich auf ‚Tatsachen’ und den ‚Fortschritt der Forschung’ berufen konnten, und wie schnell man sich im Nebel falscher Schlussfolgerungen und vorschneller Behauptungen verirren kann.

Anfang des 20. Jahrhunderts waren 130.000 neblige Objekte registriert, bei vielen zeigten sich spiralartige Strukturen, weshalb die Bezeichnung Spiralnebel geprägt wurde und sich noch lange hielt, selbst als ihr Charakter als extragalaktische Sternensysteme schon nachgewiesen war. Ob sich diese Objekte jedoch aus einzelnen Sternen zusammensetzten und außerhalb der Milchstraße lagen, war zu jenem Zeitpunkt noch immer nicht nachweisbar und blieb daher umstritten.

Die große Debatte

1910 publizierte George Ritchey (1864 - 1945) Aufnahmen, die er von M 33, dem Dreiecksnebel gemacht hatte. Überdeutlich waren darauf viele kleine Lichtflecken zu erkennen. Diese hätte man natürlich für Einzelsterne innerhalb des Nebels halten können, vielleicht sogar müssen, aber sie waren alle so unscharf und konturenarm, dass es sich genauso gut um ‚Nebelchen’, um Nebel im Nebel, um Nebelverdichtungen handeln konnte. Ritchey sprach deshalb auch von sternenförmigen Materiekonzentrationen, von „Nebelsternen“. Allein in M31 zählte er 2.400 und noch mal etwa 1.000 solcher ‚Nebelsterne’ im M 101. Immerhin war man jetzt schon bei einer wenigstens begrifflichen Verbindung von Nebel und Stern.

Seit 1918 stand auf dem Mount Wilson (USA) das damals größte Teleskop der Welt zur Verfügung. Eine Lösung des Problems sollte daher möglich sein. Aber es dauerte noch etwas. Am Mount Wilson arbeitete Harlow Shapley (1885 - 1972), einer der bekanntesten und einflussreichsten Astronomen jener Zeit. Er versuchte sich in einer Bestimmung der Größe der Milchstraße, gelangte dabei aber zu einer recht falschen Einschätzung. Das ist ihm nicht vorzuwerfen, denn die Bestimmung der Größen und Entfernungen im Kosmos war mit vielen Unsicherheiten und Unkenntnissen belastet. Was übrigens, wenn auch um Einiges abgemildert, auch heute noch so ist.

Frappierender aber war die Schlussfolgerung, die Shapley aus seiner Schätzung zog. Er verkündete nämlich 1915, die Milchstraße sei die einzige Sternenansammlung im Universum. Damit setzte er sich in Widerspruch zu dem ebenfalls amerikanischen Astronom Heber Doust Curtis (1872 - 1942). Der hatte aus den inzwischen bekannten Daten die Schlussfolgerung gezogen und verkündet, die Milchstraße sei nur eine von vielen Sterneninseln im Universum. Über Jahre tobte zwischen den beiden Astronomen ein Streit darüber.

Die National Academie of Science inszenierte schließlich eine Diskussion zwischen den für das California Institute of Technology auf dem Mount Wilson arbeitenden Astronomen mit Shapley an der Spitze und den Forschern des Lick Observatory der University of California auf dem Mount Hamilton mit ihrem Hauptwortführer Curtis. Die Diskussion fand im April 1920 statt und ging als “Die Große Debatte” in die Geschichte der Astronomie ein. Allerdings endete sie unentschieden. Beide Seiten beharrten auf ihren Standpunkten. Shapley behauptete weiter unverdrossen, Spiralnebel seien reine nebelförmige Objekte und keine Sternenansammlungen. Auch als der Astronom Baade ihn darauf hinwies, die Aufnahmen Ritcheys zeigten doch eine Vielzahl von Objekten, die man nur für Einzelsterne halten könne, weigerte sich Shapley standhaft, die Lichtflecken als etwas anderes denn Nebelkonzentrationen zu akzeptieren.

Er war damit in durchaus prominenter Gesellschaft, denn auch Einstein meinte noch 1922, dass “… die Hypothese von der Gleichwertigkeit der Spiralnebel mit der Milchstraße durch die letzten Beobachtungen als widerlegt zu betrachten sein dürfte.”

(A. Einstein; Bemerkungen zu der Franz Deletyschen Arbeit “Beiträge zum kosmologichen System”; Annalen der Physik; Band 374, Heft 22/1922; S.436-438)

Das Ende der Vermutungen, Unsicherheiten und falschen Ansichten nahte schließlich in Gestalt des damals 35-jährigen Edwin Powell Hubble (1889 - 1953) und der von ihm nachgewiesenen Delta-Cephei. Im Gegensatz zu Shapley hielt Hubble die Unschärfe der Lichtfleckchen auf den Photographien Ritcheys nicht für einen natürlichen, sondern schlicht für einen photographischen Effekt, also der zu geringen Auflösung geschuldet, was sich später als zutreffend herausstellte.

Ende 1923 entdeckte Hubble im Nebel M31 einen Cephei-Stern. Diese Sterne, nach dem Stern Delta-Cephei gebräuchlicherweise Cepheiden genannt, sind begehrliche und besonders geschätzte Objekte der Astronomen. Es sind ‚Veränderliche’, also Sterne, die in Perioden von einigen Stunden, Tagen oder Wochen regelmäßige Helligkeitsschwankungen aufweisen. Das resultiert daraus, dass solche Sterne instabil geworden sind und sich regelmäßig aufblähen, um dann wieder zu schrumpfen. Die sich darin ausdrückende Perioden-Leuchtkraft-Beziehung und die Beziehung zwischen wahrer und scheinbarer Leuchtkraft wird für die Entfernungsbestimmung benutzt. Indem man Cepheiden unserer Milchstraße, deren Entfernungen auf anderen Wegen bestimmt wurden, als Vergleich heranzieht, kann man dann bestimmen, in welcher Entfernung sich ein beliebiger Cephei-Stern befindet und daraus auf die Entfernung seiner Umgebung, also des Nebels bzw. der Galaxie schließen. Cepheiden sind so ‚Standardkerzen’ der Astronomie.

Die kosmische Entfernungsmessung ist allerdings eine der schwierigsten Aufgaben der astronomischen Forschung und um ein Vielfaches komplizierter, als sich das aus meiner saloppen Darstellung herauslesen lässt. Man kann die Entfernungen ja nicht direkt messen, sondern muss sich eben bestimmter Hilfsmittel, Orientierungspunkte, Vergleichsobjekte o. ä. bedienen. Die Bestimmung der Entfernungen der kosmischen Objekte unterlag stets – und das ist auch heute nicht viel anders – sehr kräftig einem subjektiven Faktor. Es ist in einem sehr erheblichen Maße von der Auffassung des jeweiligen Astronomen abhängig, wie er die beobachteten Fakten bewertet. Deshalb ist die Geschichte der Astronomie der letzten 80 Jahre auch stark geprägt von einem meist sehr heftig ausgetragenen, aber nie wirklich entschiedenen Streit um die gültigste Entfernungsbestimmung. Darum kann alles, was die Wissenschaft uns bisher über die Entfernungen der kosmischen Objekte gesagt hat, auch anders sein. In der Regel können wir wohl aber davon ausgehen, dass die Entfernungsrelationen heute in einem irgendwie richtigen Maß sein mögen, wenigstens im Groben. Zu dieser Problematik weiter unten dann noch mehr.

Hubble gelangen von dem Cepheiden in M31 Aufnahmen, mit deren Hilfe er die Periode der Lichtschwankung auf 31,4 Tage bestimmen konnte. Daraus kalkulierte er die Distanz zwischen dem Cepheiden und der Erde auf 1 Million Lichtjahre. Das war ein starker Hinweis, ja schon Beweis, dass das Objekt mit der Messier-Katalognummer M31, in dem der Cepheid beimatet ist, nicht zur Milchstraße gehören konnte. Später zeigte sich, dass Hubble die Entfernug noch weit unterschätzt hatte. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist bei M31 die Distanz zweieinhalb mal größer als von Hubble ermittelt. Am Beweis der extra-galaktischen Existenz von M31 ändert das nichts.

Im Verlauf des Jahres 1924 konnte Hubble im Dreiecksnebel 47 und im Andromeda 36 Cepheiden genauer messen, wenig später auch solche im NGC 6822. Mit ihrer Hilfe konnte er nun die Entfernungen der Nebel bestimmen.

Am 1. Januar 1925 wurde auf einer Tagung der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft eine lapidare Mitteilung Edwin Hubbles verlesen: Die drei von Hubble untersuchten Nebel befinden sich außerhalb der Milchstraße und es gibt in ihnen zahlreiche Einzelsterne. Es existieren also Sternenansammlungen außerhalb der Milchstraße. Allerdings hatte Hubble die Entfernungen der Galaxien gründlich unterschätzt. Sie sind um Einiges weiter entfernt, als Hubble damals angab. Seine Berechnungen waren aus einem ganz bestimmten Grund fehlerhaft. Er war von der Annahme ausgegangen, alle Cepheiden hätten annähernd die gleiche Leuchtkraft. Damals wusste man noch nicht viel über Sterne, noch weniger über die Cepheiden. Erst später erkannten die Physiker, dass es verschiedene Sternen-Kategorien, als Populationen III, II und I bezeichnet, und auch verschiedene Cepheiden-Kategorien gibt.

Die klassischen, Typ I - oder Delta-Cepheiden besitzen etwa die 4- bis 10-fache Sonnenmasse und eine Leuchtkraft vom 1.000- bis 10.000-fachen der Sonnenleuchtkraft. Typ-II-Cepheiden haben dagegen eine Masse von etwa einer Sonnenmasse, ihre Leuchtkraft ist geringer als die der klassischen Cepheiden. Zudem unterscheiden sich die Cepheiden-Typen in ihrer Metallizität, also dem Anteil von Metallen am Stern-Volumen. Als Metall wird von den Astronomen allerdings jedes Element schwerer als Wasserstoff oder Helium angesehen. Sterne der Population II haben als ältere Sterne einen geringeren Anteil an Metallen als die jüngeren Sterne der Population I. Das deshalb, da schwerere Elemente erst in vorangehenden Sternenzyklen “gekocht” werden müssen, um Sternen folgender Generationen als Baustoff dienen zu können. Die Metallizität hat Einfluss auf die Größe der Sterne und die Leuchtkraft. Auch deshalb sind Typ I - Cepheiden heller als solche des Typ II. Außerdem gibt es noch die Anomalous Cepheids, relativ seltene Cepheiden mit 1,3 bis 2,1 Sonnenmassen und unabhängiger Perioden-Leuchtkraft- Beziehung. Das alles konnte Hubble damals noch nicht wissen, weshalb seine Berechnungen zwar unrichtig waren, aber keine Fehler. Sie mussten einfach auf der Basis noch nur grober Kenntnisse ungenau sein.

Die Streitfrage war trotzdem nun endlich und endgültig entschieden: Es gibt Nebel, die innerhalb der Milchstraße beheimatet sind, also galaktische Nebel, die aus diffuser Materie bestehen, andere, extragalaktische Nebel sind Objekte in ferneren Regionen, Sternensysteme ähnlich der Milchstraße. War das denn so schwer? – ist man geneigt, sich aus heutiger Sicht zu wundern. Ausgerechnet Hubble vom Mount Wilson, der Hochburg Shapleys, hatte der alten und von Shapley so hartnäckig verteidigten Auffassung den Todesstoß versetzt.

Heute ist es uns eine Selbstverständlichkeit, dass die Nebel, die die Astronomen im Sternen-Rund beobachten, verschiedener Natur sein können. Das kann man aus den Spektren ablesen. Bei galaktischen Nebeln handelt es sich um Gasansammlungen. Ein bestimmtes Gas, auch eine Mischung verschiedener, aber weniger Gase, besteht aus bestimmten Atomen und diese zeigen sich in den Spektren in ganz bestimmten scharfen Linien. Extragalaktische Nebel aber sind Sternenansammlungen. Von ihnen empfangen wir auf der Erde eine Summe des Lichtes aller Sterne der Galaxie. Ein solches Spektrum wird daher natürlich auch scharfe Linien aufweisen, aber daneben auch viel Unscharfes, diffuse Strukturen als die Summe unterschiedlicher Sternspektren. Damals aber wusste man noch nicht viel über die Materie, das Licht und das Universum, es war ja tatsächlich noch nicht sicher, ob die Milchstraße nicht doch das ganze Universum ist. Das war über längere Zeit feste Überzeugung und die eigentliche Selbstverständlichkeit gewesen. So schnell lässt man feste Überzeugungen nicht sausen.

Das eigentlich Erstaunliche ist, dass der Streit um den Charakter der Nebel erst vor weniger als einhundert Jahren entschieden war. Unser heutiges Wissen über die Sterne und Galaxien ist also noch sehr junges Wissen. Ob es heute schon erwachsen und damit reif genug ist, wissen wir nicht sicher.

Kaum bekannt, da selten erwähnt, ist die Tatsache, dass Hubble seine große Entdeckung weniger den Cepheiden, mehr den Computern verdankte. Nein, die Computer, wie wir sie heute kennen, sind nicht gemeint, die waren ja seinerzeit noch nicht erfunden. Computare ist das lateinische Wort für rechnen. Die Forscher waren schon damals auf erhebliche Rechenleistungen angewiesen. Vor hundert Jahren verstand man unter Computern einfach Menschen, deren Aufgabe es war, Daten zu sichten, zu verarbeiten und verschiedene Berechnungen und mathematische Auswertungen der Daten zu realisieren.

In einem gutgehenden Observatorium fielen schon damals erhebliche Mengen an Daten an, die es zu sortieren und zu katalogisieren galt. Bald hatten die findigen Sternebeobachter die besondere Eignung von Frauen für diese mühsame, unauffällige, kaum Beifall und Anerkennung versprechenden “niederen” Arbeiten entdeckt. Frauen waren gewissenhafter, billiger und – sie stellten keine eigenen Sternebeobachtungen an. Von ihnen musste die Männerriege der Astronomen keine Konkurrenz im Kampf um den Ruhm und die Ehre bei großen Entdeckungen befürchten. Diese Frauen waren keineswegs Hilfskräfte, gerade geeignet für niedere Arbeiten, es waren gut ausgebildete Fachkräfte und zuverlässige Analystinnen, einige auch kreative Forscherinnen.

Annie Jump Cannon (1863 – 1941) war so eine Datenauswerterin. Cannon hatte Physik und Astronomie studiert und begann 1896, sich mit der damals zeitraubenden und mühsamen Datensichtung und -auswertung von astronomischen Aufnahmen zu beschäfigten. Dabei erfand sie dank ihrer aufmerksamen und akribischen Arbeit ein neues System der Einteilung der Sterne in die Spektralklassen O, B, A, F, G, K und H, denen sie dann noch zur weiteren präzisen Unterscheidung jeweils Ziffern von 0 bis 9 hinzufügte. Jeder einzelne Stern kann so exakt in das System eingeordnet und von anderen Sternen unterschieden werden. Die Sonne ist beispielsweise ein G2 Spektraltyp. Es ist wohl klar, dass es angesichts der rund 100 Milliarden Sterne allein in unserer Milchstraße und den rund 1022 Sternen im Universum schon wichtig ist, in diese Vielzahl und Vielfalt möglichst viel und übersichtliche Ordnung reinzubringen.

Cannons Spektralklasssen-Systematik gilt noch heute und gehört zum Basis-Handwerkzeug jedes Astronomen. Annie Cannon klassifizierte damals über 400.000 (!) Sterne. Darüber hinaus erstellte sie einen Katalog veränderlicher Sterne. Auch wenn Annie Cannon heute in den Siegesverkündungen der Astronomen so gut wie nie erwähnt wird – wenigstens erhielt sie für ihre akribische Arbeit die Ehrendoktorwürde. (Quelle: Wikipedia)

Henrietta Swan Leavitt (1886 - 1921) war auch so eine dieser kaum beachteten Rechnerinnen, die sogar zunächst als unbezahlte Freiwillige am Harvard-College-Observatorium unermüdlich und nahezu fanatisch Fotoplatten der Astronomen auswertete. Erst nach sieben Jahren (!) bekam sie eine feste Anstellung – für 30 Cent pro Stunde. Leavitt hatte die Aufgabe, veränderliche Sterne, Cepheiden zu finden. Die Methode war recht einfach. Man nahm zwei Aufnahmen eines bestimmten Sternenfeldes, die im Abstand von Tagen oder Wochen aufgenommen worden waren, und legte sie in eine spezielle Apparatur. Diese kippte zwischen den zwei Aufnahmen hin und her. Wenn sich ein Cepheid in dem Feld befand, bemerkte man einen blinkenden Punkt. Der musste möglichst genau geortet werden, seine Position berechnet und wenn möglich weitere Daten ermittelt werden.

Allein 1904 entdeckte Leavitt in der Großen Magellanschen Wolke 172 und in der kleinen Schwester 59 Cepheiden, 1905 sogar weitere 843 in dem Sternensystem. Sie entwickelte eine neue Messtechnik der Auswertung photographischer Aufnahmen, die seit 1913 international als Harvard Standard anerkannt wird. Im Verlauf weniger Jahre gelang es Leavitt, auf den ihr zur Verfügung stehenden photographischen Platten über 2400 Veränderliche zu entdecken.

Dabei kam ihr eine hochwichtige Idee: Cepheiden besitzen eine bestimmte Leuchtkraft und diese wechselt periodisch. Vielleicht, sagte sich Henrietta Leavitt, steht die Leuchtkraft ja in Beziehung zur Periode und sie begann, nach einem Zusammenhang zwischen der Helligkeit und der Periode des Helligkeitswechsels zu suchen. 1912 gelang es ihr, eine einfache mathematische Beziehung zwischen Helligkeit und Periode, noch heute als Perioden-Leuchtkraft-Beziehung bezeichnet, herauszufinden. Diese war anfangs noch nicht exakt genug, weshalb Shapley auch bei seiner Schätzung der Galaxiengröße daneben lag, aber im Verlauf der weiteren Entwicklung – auch Shapley hat dazu beigetragen – wurde das präzisiert. Erst auf dieser Grundlage wurde es möglich, die Cepheiden als Standardkerzen zur Entfernungsbestimmung zu nutzen. Ohne diese verlässlichen Entfernungsbestimmungen hätte Hubble nicht zu seinen Entdeckungen gelangen können.

Die Schwedische Akademie der Wissenschaften schlug Leavitt 1924 für den Nobelpreis vor. Aber dann stellte man fest, dass sie bereits 1921 verstorben war. Eine Krebserkrankung hatte ihr nicht nur eine verdiente Würdigung ihrer Leistungen vorenthalten, sie hatte ebenso nicht mehr erlebt, welch große Entdeckungen auch durch sie erst möglich wurden. Sehen Sie sich die heutigen einschlägigen Veröffentlichungen der Herren Wissenschaftler an: Henrietta Leavitt wird da kaum mal erwähnt, Edwin Hubble regelmäßig. Erst sehr viel später erkannten die Männer, was sie Henrietta Leavitt zu verdanken hatten. Sie rangen sich schließlich dazu durch, einen Mondkrater nach ihr zu benennen. Auch ein 1973 entdeckter Asteroid trägt ihren Namen. Na, wenigstens etwas. Vielleicht aber können wir so auch erahnen, welch große Leistung sich hinter so mancher unscheinbar erscheinenden Namensgebung verbergen mag. Bestimmt nicht in jedem Fall, aber doch mitunter, wenn die Namensgeber sorgfältig und überlegt vorgingen.

Die Entdeckung Hubbles hätte auch Ritchey schon Jahre früher machen können. Auf seinen Aufnahmen des Zentralgebietes von M 31 waren zahlreiche Sterne zu sehen, die von Hubble später als Cepheiden identifiziert wurden. Die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung war ja dank Leavitt seit 1912 bekannt. Allerdings sollten wir Ritchey zu gute halten, dass jenes Teleskop, das ihm zur Verfügung stand, wesentlich weniger leistungsfähig war, als das Hubbles. Um Photographien mit einer möglichst großen Schärfe zu erhalten, photographierte Ritchey nur bei besonders ruhiger Luft und unterbrach die Beobachtung immer dann, wenn sich die Bedingungen verschlechterten. Seine trotzdem unscharfen Bilder benötigten Belichtungszeiten von zehn Stunden. Es ist vorstellbar, dass da nicht ohne weiteres die beobachteten Sterne als Cepheiden auszumachen waren.

Trotzdem hat wohl auch das Vorurteil Ritchey etwas ausgebremst. Als sich die Astronomen später noch ältere Aufnahmen ansahen, waren auf Photographien des Andromeda-Nebels, die Roberts bereits 1887 angefertigt hatte, deutlich eine größere Anzahl Einzelsterne zu sehen. Vorurteile verhindern oft, Dinge zu bemerken, die man sieht, aber nicht bemerken will. Mit einem neuen Blick auf alte Dinge sieht man freilich auch leicht, was mit altem Blick auf Neues unbemerkt bleiben musste.

Hubble setzte seine Beobachtungen unbeirrt fort und wies schon bald in einem Umkreis von 3 Millionen Lichtjahren etwa 20 Galaxien nach, wenig später in einer Sphäre von 30 Millionen Lichtjahren ca. 200 Galaxien. Die Astronomen schwenkten schnell von Vorurteil zu Begeisterung um, denn nun bestand kein Zweifel mehr: Es gab im Universum eine große Anzahl von Sternenansammlungen ähnlich der Milchstraße. Heute wird die Anzahl der Galaxien in Größenordnungen von 10 hoch neun, also in mehreren Milliarden angegeben. Selbst das könnte noch zu niedrig geschätzt sein. Als das moderne Hubble-Weltraum-Teleskop vor wenigen Jahren seinen ‚Blick’ auf ein Gebiet richtete, das die Astronomen für weitestgehend Galaxienfrei hielten, sah man später auf den Aufnahmen genau dort überraschend zahlreiche Galaxien.

Schon 1926 legte Hubble eine weitere Arbeit über Galaxien vor. Es handelt sich um eine verallgemeinernde Klassifizierung der Sternensysteme. Hubble hatte nämlich entdeckt, dass sich Galaxien in ganz verschiedenen Strukturen zeigen. Er unterteilte daher die Systeme in 5 verschiedenen Typen und zählte 137 Spiralgalaxien, 85 elliptische, 8 pekulare, 11 irreguläre und 59 Balkengalaxien.

Warum ist es nachts dunkel?

Obwohl mit der Quanten- und der relativistischen Physik bereits ein Bild von einer Welt voller Dynamik entstanden war, wurde der Makrokosmos, also die kosmischen Objekte und Strukturen, noch als statisch, als schon ewig gegeben und im Wesentlichen unveränderlich angesehen. Daran hatte auch die Entdeckung der Galaxien nichts geändert. Der Glaube an ein Universum, das entweder schon immer in unveränderter Form bestand oder zu irgendeinem lange zurückliegenden Zeitpunkt im beobachteten Zustand entstanden war oder erschaffen wurde, war außerordentlich tief verwurzelt. Die Wissenschaft konnte sich lange nicht zu einer anderen Vorstellung entschließen.

Viele Physiker aber erkannten, dass ihnen mit den astronomischen Entdeckungen ein Problem ins Haus geflattert war. Die so elegante Newtonschen Gravitationstheorie hatte einen nicht länger zu übersehenden Makel: Die Gravitation musste zur Konsequenz haben, dass sich die Sterne gegenseitig anziehen und folglich im Zeitenlauf alle in einem Punkt zusammenstürzen. Ein solches Universum konnte nicht ewig existieren, die Sterne konnten nicht weitgehend bewegungslos zueinander sein. Dieses war ein instabiles Universum, warum also existierte es schon seit mindestens tausenden Jahren, ja hoffentlich seit ewigen Zeiten? Damit begann ein bis heute anhaltendes ‚Unheil’ eines fundamentalen Widerspruchs zwischen den theoretischen Modellen und den Beobachtungstatsachen.

Den ‚Schönheitsfehler’ hatte natürlich auch schon Newton bemerkt. Einen Ausweg aus der Schwierigkeit sah er darin, dass eine unendliche Anzahl von Sternen über einen unendlichen Raum verteilt ist, so dass es gar keinen Mittelpunkt gäbe, in den die Sterne zusammenstürzen könnten. Vielmehr würde eben die unendliche Zahl der Sterne die anziehende Wirkung ausgleichen. Dieser Gedankenfalle erlagen viele Wissenschaftszeitgenossen Newtons und auch nachfolgende Generationen.

Wie Stephen William Hawking (geb. 1942) in “Eine kurze Geschichte der Zeit” erläuterte, liegen der Vorstellung Denkfehler zu Grunde, wie sie häufig gerade dann auftreten, wenn sich unser Denken mit dem Unendlichen beschäftigt. Ein unendlicher Raum ist eben nicht mittelpunktlos, sondern jeder Punkt kann als Mittelpunkt betrachtet werden, von dem aus in jeder beliebigen Richtung eine genau gleiche, nämlich unendliche Anzahl von Sternen existiert. Die Sterne sind aber nicht exakt gleichmäßig verteilt, die Abstände zwischen ihnen sind verschieden und die Gravitation nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Die Gravitation würde die Sterne unaufhaltsam und unerbittlich zusammentreiben, zwar nicht alle in einem Punkt, aber doch so, dass in keinem Gebiet des Universums eine stabile Verteilung der Sterne auftreten kann.

Später versuchte die Wissenschaft, dem nach der Theorie notwendigen, aber in der Realität nicht zu beobachtenden allgemeinen Zusammenbruch des Universums durch die abenteuerlich-spekulative Idee zu begegnen, in größeren Entfernungen würde die Gravitation zu einer Abstoßungskraft. Beide Kräfte – Anziehung und Abstoßung – würden sich insgesamt gerade so aufheben, dass eine unendliche Verteilung der Sterne in einem statischen Universum herauskäme. Aber auch diese Konstruktion stellt in Wirklichkeit keine Lösung des Problems dar. Würden z.B. die Sterne nur eine Winzigkeit zu nahe beieinander stehen, so würden die anziehenden Kräfte die Abstoßungskräfte übersteigen und der Zusammensturz wäre nicht mehr vermeidbar. Umgekehrt würden geringfügig größere Entfernungen zwischen den Sternen zu einem Übergewicht der abstoßenden Kräfte führen und die Sterne würden unaufhaltsam auseinander treiben. Selbst ein solches Modell ist also nicht geeignet, ein statisches Universum zu konstruieren.

Im Übrigen hatten bereits 1895 der Münchner Hugo von Seeliger (1849-1924) und ein Jahr später der Leipziger Carl Neumann (1832-1925) theoretisch überzeugend nachgewiesen, dass ein unendlich großes Universum mit einer gleichmäßigen Verteilung von Sternen nach dem Newtonschen Gravitationsgesetz nicht existent sein kann. Es war also lange klar, entweder das Universum ist anders oder die Idee mit der Gravitation war halt nur so’ ne lässige Vermutung.

Dabei hatte eine einfache Frage, die allgemein dem deutschen Philosophen Heinrich Olbers (1758-1840) angelastet wird, die aber vor ihm schon verschiedentlich aufgeworfen worden war, einen gewichtigen Einwand gegen ein unendliches, statisches Universum notwendig gemacht.

Es war dies die naiv erscheinende Frage: Warum ist es nachts eigentlich dunkel? Zunächst ist man geneigt, die Frage für recht albern zu halten, denn das weiß doch jeder: die Erde dreht sich und nachts sind wir auf der der Sonne abgewandten Seite, auf der uns ihr Licht halt nicht erreichen kann. Auf den zweiten Blick wird aber klar, welche Tücke in der Frage steckt. In einem unendlichen Universum müsste unser Blick auch nachts und wohin wir ihn auch immer richten auf eine Sternenoberfläche treffen. Dass mit zunehmender Entfernung die Sternenscheiben uns immer kleiner erscheinen würden, spielt keine Rolle. Eine unendliche Anzahl von Sternen, die seit ewigen Zeiten ihr Licht aussenden, würde den gesamten Himmel vollständig ausfüllen. Der gesamte Nachthimmel dürfte sich also nicht von der Sonnenoberfläche unterscheiden. Das tut er aber doch und sehr auffällig, oder?

Kommen Sie nun, verehrter Leser, nicht auf die Idee, die zwischen den Sternen befindliche diffuse Materie würde einen großen Teil des Sternenlichtes absorbieren, das Licht der Sterne würde also einem Alterungs- und Abschwächungsprozess unterliegen. Diese Idee ist untauglich, den dunklen Nachthimmel zu erklären. Die interstellare Materie würde das Licht reflektieren und sie würde sich in den unendlichen Zeiten längst infolge des Lichtstroms unendlich vieler Sterne so aufgeheizt haben, dass sie selbst so hell strahlen würde wie die Sterne.

Es gibt zunächst nur eine naheliegende und notwendige Antwort auf die Frage: Es ist nachts dunkel, weil die Sterne nicht schon immer existent sind, sondern erst zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit ihr strahlendes Werk begannen. Selbst bei einer unendlichen Anzahl von Sternen kann uns dann nämlich das Licht ferner Sterne noch gar nicht erreicht haben und die interstellare Materie konnte sich noch nicht so stark aufheizen. Eine prinzipiell neue Sicht auf das Universum ergab sich daraus aber noch nicht. Obwohl zahlreiche und gewichtige Einwände gegen ein räumlich und zeitlich unendliches und statisches Universum existierten, blieben die Menschheit und ihre Wissenschaft hartnäckig in eben dieser Vorstellung befangen.

Als Albert Einstein sich mit den kosmologischen Konsequenzen der allgemeinen Relativitätstheorie beschäftigte, sah auch er sich mit dem Widerspruch zwischen der allgegenwärtigen Gravitation und der dauerhaften Existenz der Sternenwelt konfrontiert. 1917 sah er sich deshalb gezwungen, in die Feldgleichungen eine besondere Konstante einzuführen. Das kosmologische Glied Lambda der Feldgleichungen interpretierte er als eine neue Anti-Gravitationskraft ohne bestimmten Ursprung. Der Raumzeit sei eine Tendenz zur Expansion eigen, die der Gravitation der Massen entgegen wirken würde, so dass ein statisches Universum die Folge wäre. Später schrieb Einstein, seinen ursprünglichen Überlegungen hätten zwei prinzipielle Annahmen zugrunde gelegen:

1. Es gibt eine von 0 verschiedene mittlere Dichte der Materie im Raum.

2. Die Größe des Raumes, der Weltradius, ist von der Zeit unabhängig.

Beide Hypothesen wären in der allgemeinen Relativitätstheorie nur dann miteinander vereinbar gewesen, wenn man den Feldgleichungen ein hypothetisches Glied hinzufügte. Einstein gab später zu, diese Größe sei weder vom Gesichtspunkt der Relativitätstheorie an sich erforderlich gewesen, noch sei sie ihm natürlich erschienen.

Man bedenke, der Schöpfer der Relativitätstheorie, der so gründlich mit Denkgewohnheiten aufgeräumt hatte, erfand ausschließlich aus Glaubensgründen eine künstliche Größe, um das statische Modell des Universums zu retten. Dies sei die größte Eselei seines Lebens gewesen, hat sich Einstein später geärgert. Wir werden noch sehen, dass nicht die Einführung der kosmologischen Konstante, sondern Einsteins selbstkritischer Rückzieher möglicherweise seine größte Eselei war; aber so richtig ist das auch in unseren Zeiten noch nicht entschieden.

Einstein hatte schon seine Gründe, aber eben Glaubensgründe, Lambda zu benutzen. Er war wie alle Wissenschaftler vor ihm und zunächst (fast) alle seine Zeitgenossen der festen Überzeugung, es mit einem statischen, relativ stabilen Universum zu tun zu haben, mit einem Kosmos, der seit ewigen Zeiten im Prinzip genau so existierte, wie er sich seinen Beobachtern aktuell zeigte. Das war ein Paradigma und es war tief verwurzelt im Denken der Wissenschaftler, obwohl es ja längst Anzeichen dafür gab, ein statisches Universum könne nur eine Illusion sein.

Einstein bemerkte, dass seine Gleichungen nicht zu einem statischen Universum passten. Und gerade er, der nicht nur mit seiner Relativitätstheorie, sondern auch mit einigen anderen Arbeiten deutlich gemacht hatte, dass er seinen Gleichungen mehr traute als dem so genannten gesunden Menschenverstand oder den üblichen Vorstellungen, erfand offensichtlich aus Verlegenheit eine künstliche Größe und ließ sich damit eine Entdeckung entgehen, die er eigentlich schon in der Hand hielt, die deutlich in seinen Gleichungen stand, die er aber nicht sah. So wird erst verständlich, warum er die kosmologische Konstante als größte Eselei seines Lebens bezeichnete.

An und für sich sind die Aufstellung einer Formel mit einem überflüssigen Glied und der Widerruf ja kein großes Problem. Aber wenn man damit sich selbst hindert, etwas zu sehen, was sich kurze Zeit später als eine große Entdeckung herausstellt, die auf Jahrzehnte, vielleicht auf Jahrhunderte, unser wissenschaftliches Bild vom Universum prägt, ist das schon mehr als ärgerlich für den, dem das unterläuft.

Einstein war damals freilich keineswegs der einzige ‚Statiker’. Die geschlossene Front der Physiker jener Zeit suchte verzweifelt nach einer Möglichkeit, sich vor der Konsequenz eines nicht statischen Universums zu drücken. Ein einziger Mensch fand sich, der die Relativitätstheorie wirklich konsequent ernst nahm. Der sowjetisch-russische Physiker und Mathematiker Alexander Alexandrowitsch Friedmann (1888-1925) erkannte nämlich, dass man die der Relativitätstheorie zugrunde liegende Hypothese 1 auch ohne kosmologisches Glied beibehalten kann, wenn man auf die Hypothese 2 verzichtet. Im Friedmannschen Universum ist der Weltradius von der Zeit abhängig. Friedmanns Theorie forderte ein dynamisches Universum, das einen Anfang hatte, und dessen Größe von der Zeit abhängig ist, das also endlich in Ausdehnung und aktueller Existenzzeit ist. Friedmann bewies ein dynamisches Universum als unausweichliche Konsequenz der relativistischen Auffassung von Raum und Zeit, von Gravitation und Materie. Friedmanns Universum konnte gar nicht statisch sein, es musste entweder expandieren oder kontrahieren.

Die Entdeckung Friedmanns hatte übrigens einen Verlauf, wie er für viele wissenschaftliche Entwicklungen typisch ist. Friedmann veröffentlichte seine Theorie 1922 und 1924 in der "Zeitschrift für Physik". Seine Arbeiten wurden kaum beachtet. Einstein hatte sie wohl nur flüchtig gelesen, beeilte sich aber sichtlich verärgert, in der gleichen Zeitschrift eine Entgegnung in Form einer kurzen Notiz zu veröffentlichen. Darin warf er Friedmann vor, dessen Berechnungen seien fehlerhaft, sie würden das Gesetz von der Erhaltung der Energie verletzen. Einstein neigte lange mehr dazu, sich über die Vorstellungen eines dynamischen Universums lustig zu machen, denn die Friedmannschen Überlegungen wirklich ernst zu nehmen. Fortan soll sich Einstein in Kollegenkreisen in allerlei spitzfindig-sarkastischen Bemerkungen über das Friedmannsche Universum ergangen haben. Ein dynamisches Universum – zu lustig aber auch.

Aber später musste er etwas kleinlaut und auf dringenden Rat von Juri Krutkow einen Widerruf seiner Stellungnahme veröffentlichen.

Juri Alexandrowitsch Krutkow (1890-1952) war ein sowjetischer Physiker und Vorsitzender der Physiksektion der sowjetischen Gesellschaft für physikalische Chemie. Bei einer Reise nach Deutschland hatte Krutkow unter anderem auch mit Einstein Gespräche geführt. Einsteins Reaktion auf Friedmann Vorstellungen veranlassten Krutkow dann, bei Einstein zu intervenieren. Friedmann hatte nämlich in einem Brief an Krutkow nachgewiesen, dass die Einsteinsche Argumentation einen Denkfehler enthielt.

Jahrzehnte später war das für Alan Guth Anlass zu der spöttischen Bemerkung, jeder mit einem Grundwissen in Allgemeiner Relativitätstheorie hätte bemerken müssen, wie fehlerhaft Einsteins Argumentatíon war. Dem Erfinder der Relativitätstheorie mangelndes Grundwissen in eben dieser Theorie vorzuwerfen, ist schon in besonderer Weise gemein, wenn auch offensichtlich gerecht.

Aber selbst die letztliche Anerkennung der Richtigkeit der Berechnungen Friedmanns durch Einstein war noch geprägt durch die Überzeugung von der statischen Existenzweise des Universums. In der Widerrufs-Notiz sprach Einstein offensichtlich bewusst nur davon, dass die Feldgleichungen neben den statischen auch dynamische, zeitabhängige Lösungen zulassen. Einen Hinweis auf die daraus resultierenden Möglichkeit der Existenz eines dynamischen Universums vermied er. Im erhalten gebliebenen handschriftlichen Entwurf der Notiz findet sich sogar die Bemerkung, solchen Lösungen dürfte wohl kaum physikalische Bedeutung zuzuschreiben sein. Vorsichtigerweise hatte Einstein das wieder gestrichen, die Blamage wäre sonst komplett gewesen. Aber Friedmann war unbekannt und weit weg, Meteorologe zudem, die Kontroverse mit Einstein war kaum beachtet worden, Friedmanns Kosmos-Modell schienen auch nicht sehr aufregend zu sein. Dabei sind die Friedmann-Gleichungen von außerordentlicher Bedeutung für die Bestimmung der Geschichte des Universums. Aber eben das ist das Problem.

Noch waren die Physiker ja bei einem statischen, seit ewigen Zeiten existierendem Universum. Vorstellungen darüber, dass das Universum eine Geschichte haben könnte und auch in der Zukunft einen bestimmten Entwicklungsweg nehmen würde, waren da nicht notwendig und daher auch nicht gefragt.

Im Jahre 1927 machte sich der Belgier Lemaître daran, das Problem zu durchdenken. Er hatte Friedmanns Arbeiten nicht zur Kenntnis genommen und leitete alles noch einmal neu her, erfand so das Friedmannsche Universum zum zweiten Mal. Aber auch seine Arbeit wurde erst 3 Jahre später überhaupt zur Kenntnis genommen. Erst nach 1930 näherte sich die Wissenschaft einem neuen Kosmos-Modell, schrieb die Entdeckung aber lange Lemaitre zu. Sehr viel später bemerkte man, dass Friedmann der Erstentdecker war. Allerdings muss man anerkennen, dass Friedmann eine naheliegende Lösung übersehen oder nicht ausdrücklich erwähnt hatte, auf die die Wissenschaft dann später umso aufmerksamer wurde.

In Friedmanns Kosmos ist die Raumstruktur und das Verhalten des Raumes von einer Größe abhängig, die die Krümmung des Raumes bestimmt. Ist die Krümmung positiv, so ist der Raum sphärisch (wie die Kugeloberfläche) und in sich geschlossen. Ein solches Universum unterliegt zunächst einer Expansion, die irgendwann in Kontraktion umschlagen muss. Ist die Krümmung negativ, so ist der Raum hyperbolisch (was recht unanschaulich, aber widerspruchsfrei ist) und offen. Er expandiert in ewige Zeiten hinein und kann daher als potentiell unendlich angesehen werden. Die von Friedmann übersehene Lösung liegt als Grenzfall genau zwischen den beiden beschriebenen Lösungen. Man kann den Raum natürlich auch mit der Krümmung Null, also ohne Krümmung denken. Man erhält dann einen ebenen, flachen, euklidischen Raum, der für immer mit sinkender Geschwindigkeit expandiert und dessen Größe im Verlauf der Zeiten schließlich gegen unendlich geht.

Aus heutiger Sicht erscheint es uns schon etwas verwunderlich, wie damals ausnahmslos alle Physiker und Mathematiker, Denker und Experimentatoren so hemmungslos einem Vorurteil unterlagen und nur Alexander Friedmann der einzige war, der die Relativitätstheorie in all ihrer Konsequenz beim Wort bzw. bei ihren Gleichungen nahm. Friedmann flüchtete sich eben nicht in Konstrukte und Künstlichkeiten, nicht in Glaube und Denkgewohnheit. Warum wurde eine solche konsequente Denkweise dann aber so konsequent missachtet?

Ein Teil der Erklärung liegt darin, dass ein Paradigma eben sehr zählebig sein kann und nicht einfach gestürzt wird, weil da eine neue Interpretation auftaucht. Zudem war Friedmanns Kosmosmodell rein mathematisch abgeleitet worden. An dessen physikalischer Bedeutung hatte wohl nicht nur Einstein Zweifel. Obwohl: Einsteins Relativitätstheorie war ja nicht anders entwickelt worden, galt allerdings nach den Messungen der Lichtablenkung von 1919 als durch Beobachtungen bestätigt. Andererseits ist es nicht selten so, dass für eine neue Erkenntnis das Feld, auf dem sie gedeihen will, auch hinreichend beackert, sozusagen fruchtbar sein muss.

Erst als Hubble 1929 das Ergebnis der Vermessung einer Handvoll naher Galaxien veröffentlichte und zeigte, dass sich die Galaxien alle von uns entfernen, begann auch Einstein umzudenken. 1932 zog er die Konsequenzen aus den Beobachtungstatsachen und das kosmologische Glied aus seinen Feldgleichungen zurück. Dass das wiederum etwas voreilig gewesen sein kann, werden wir noch sehen.

Friedmann war tragischerweise 1925 im Alter von nur siebenunddreißig Jahren an Typhus gestorben, ohne den Triumph seiner Überlegungen erlebt zu haben. Nach anderen Veröffentlichungen soll er an den Folgen eines erfolgreichen Rekordversuches mit einem Stratosphären-Ballon verstorben sein. Jedenfalls verließ dieser außerordentlich begabte Wissenschaftler, der auf vielen Gebieten die Spuren seines Schaffens hinterließ, viel zu früh die Bühne des Lebens und der Wissenschaft.

Die Entwicklung der Vorstellung vom zeitabhängigen Universum bleibt trotzdem etwas merkwürdig. Es ist nämlich keineswegs so, wie Friedmann und auch Slipher schon gezeigt hatten, dass bei Einfügen einer kosmologischen Konstante ein statisches Universum unvermeidlich ist. Im Gegenteil, auch mit diesem die Gravitation ausgleichenden Term kann das Universum nicht statisch sein. Das wäre nur dann der Fall, wenn der Wert der Konstante ganz exakt dem Wert der Gravitation gleich ist. Ein solches ideales Gleichgewicht zwischen anziehender Gravitation und abstoßender kosmologischer Kraft kann nur sehr theoretisch eintreten. Bewirkt irgendeine Fluktuation auch nur eine geringfügige Vergrößerung des Universums, würde sofort die kosmologische Konstante das Übergewicht bekommen, das Universum würde beginnen, sich auszudehnen und nichts könnte es darin mehr aufhalten.

Würde andererseits irgendein zufälliges Geschehen bewirken, dass das Universum etwas kleiner wird, als es dem perfekten Gleichgewicht nach sein darf, wäre fortan die abstoßende Kraft auf verlorenem Posten, die Gravitation würde alles unaufhaltsam zusammentreiben. Entweder also, die zufälligen Fluktuationen heben sich zufällig und außerdem stetig gegenseitig genau auf oder aber die kosmologische Konstante muss eine Flexible sein, die ihren Wert gerade so ändert, wie es für ein statisches Universum gebraucht wird.

Erst 1930 machte nun auch der erklärte Einstein-Bewunderer und international hoch anerkannte Sir Arthur Eddington (1882-1944) auf diesen ganz offensichtlichen und schwerwiegenden Schwachpunkt der aus der allgemeinen Relativitätstheorie abgeleiteten Einsteinschen Kosmologie aufmerksam. Das war aber zu diesem Zeitpunkt schon nicht mehr besonders sensationell, machten zu jener Zeit doch schon wichtige Beobachtungen die Runde, über die gleich noch zu sprechen sein wird.

In all diesen Vorgängen zeigt sich – neben Zügen von Eitelkeit und Autoritäten-Gläubigkeit – vor allem die lähmende Zähigkeit eines Paradigma, der selbst große Denker und kühne Geister hilflos erliegen können, wenigstens zeitweilig.

Die Galaxien auf der Flucht – und der Papst auch

Welche Struktur das Universum tatsächlich hat, ist bis heute nicht erwiesen. Es deutet manches darauf hin, dass es genau dem Grenzfall unterliegt, aber die beiden anderen Möglichkeiten werden von der Wissenschaft auch nicht ausgeschlossen. Seit den 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts gibt es Messungen an Supernovae, die zu der Auffassung geführt haben, das Universum würde sich nach einer Etappe gleichmäßiger Expansion nunmehr seit rund 10 Milliarden Jahren beschleunigt ausdehnen. Das kann nur damit erklärt werden, dass irgendeine besondere Energie für diese Beschleunigung sorgen muss. So kam ziemlich unverhofft Einsteins kosmologische Größe doch wieder ins Spiel. Jetzt wird sie als dunkle Energie bezeichnet und soll rund 75 % des energetischen Inhalts des Universums repräsentieren.

Aber ich greife vor. Zunächst, in den 20er Jahren, als die Wissenschaft noch versuchte, am statischen Modell festzuhalten und die Friedmannschen Arbeiten negierte, waren die Astronomen weit von solchen Überlegungen entfernt, obwohl sie bereits einige Zeit vorher auf gewisse Anzeichen der Expansion gestoßen waren.

In vielen Veröffentlichungen kann man lesen, Edwin Hubble habe die Expansion des Universums entdeckt. Aber auch diese Entdeckung war, wie sich bei genauerem Hinsehen bei sehr vielen Entdeckungen zeigt, keine einsame Leistung eines Einzelnen, sondern der Endpunkt eines längeren Prozesses mit mehreren Beteiligten. Bereits William Huggins hatte sich mit Bewegungen von Sternen beschäftigt. Die Spektralanalyse ermöglichte ihm das. Er bemerkte geringfügige Verschiebung der Linien in den Spektren von Fixsternen in den roten bzw. blauen Bereich und interpretierte das als Ausdruck einer Bewegung dieser Sterne von uns weg bzw. auf uns zu. So fand Huggins im Spektrum des Sirius eine deutliche Verschiebung des Spektrums in den roten Bereich. Der Sirius musste sich also von uns weg bewegen.

Am Lowell-Observatorium in Arizona war der amerikanische Astronom Vesto Melvin Slipher (1875 - 1969) tätig; von 1916 bis 1952 auch als sein Direktor. Slipher erwarb sich Verdienste in der Spektroskopie. So fand er in der Atmosphäre des Mars Spuren von Sauerstoff und Wasserdampf, in der Atmosphäre des Neptun wies er Methan nach. Wichtiger noch, was ihm in Bezug auf die Spiralnebel gelang. Slipher begann schon ab 1912, sich in besonderer Weise für diese merkwürdigen Gebilde zu interessieren. Und es gelang ihm, bei einigen dieser Nebel die Bewegungsgeschwindigkeiten zu bestimmen. 1914 präsentierte er der American Astronomical Society Beobachtungsergebnisse, die eine Verschiebung des Lichtspektrums der Nebel in den roten Bereich auswiesen. Slipher interpretierte das als Kennzeichen des Anwachsens der Entfernung zwischen den Nebeln und uns.

Sliphers Mitteilung wurde von den Mitgliedern der Society immerhin als so sensationell aufgefasst, dass sie ihm eine Standing Ovation zollten, wozu sich die ehrenwerte Wissenschaftlervereinigung noch niemals vorher veranlasst sah. 1921 konnte Slipher mitteilen, der Spiralnebel NGC 584 entferne sich mit der (damals) unglaublichen Geschwindigkeit von 2000 km/s. Und 1922 berichtete er, dass von den vierzig Nebeln, die er einer genaueren Untersuchung unterzogen hatte, 36 sich von uns weg bewegen.

Als Slipher seine Entdeckung der Rotverschiebung zum ersten Mal öffentlich vortrug, saß da auch ein offensichtlich aufmerksamer Mann, der junge Edwin Hubble, unter den Zuhörern. Zu jener Zeit waren die Nebel jedoch noch nicht als eigenständige Objekte ähnlich der Milchstraße identifiziert. Sliphers Beobachtungen wurden schon als bedeutsam angesehen, aber nicht in der Weise interpretiert, wie das dann wenige Jahre später erfolgte und bis heute gilt. Man nahm es zunächst einfach hin, dass sich die Nebel in ihrer Mehrzahl von uns entfernen.

Der deutsche Astronom Carl Wilhelm Wirtz (1876 - 1939) beschäftigte sich ebenfalls mit den mysteriösen Nebelflecken. Auch ihn bewegte die Frage, welchen Platz sie eigentlich im Kosmos einnehmen. Vor allem interessierten ihn die genauen Positionsbestimmungen und die Eigenbewegungen der Nebel. In Ermangelung eigener Beobachtungsmöglichkeiten nutze er dazu die vorwiegend in den USA ermittelten Daten über die Radialgeschwindigkeiten der Objekte.

Als Radialgeschwindigkeit bezeichnen die Astronomen jene Geschwindigkeitskomponente der Relativgeschwindigkeit zwischen Strahlungsquelle und Detektor entlang der Sichtlinie zwischen beiden. Ermittelt wird sie aus der Verschiebung der Linien im Lichtspektrum. 1922 fand Wirtz heraus, dass zwischen der Radialgeschwindigkeit und der Helligkeit eine Beziehung besteht. Wenig später stieß er auch auf eine Beziehung zwischen Radialgeschwindigkeit und Winkeldurchmesser. Das war auch so etwas wie eine Geschwindigkeits-Entfernungs-Beziehung.

Allerdings konnte auch Wirtz nicht sagen, ob die Nebel außerhalb der Milchstraße existieren oder nur sehr weit von uns entfernt sind. Immerhin vermutete er seine Erkenntnisse als Beweis für die Richtigkeit des Kosmos-Modells, das der niederländische Astronom Willem de Sitter (1872 - 1934) im Jahr 1918 entworfen hatte.

Der de Sitter-Kosmos war ein Vorläufer der Vorstellung vom expandierenden Universum. In dem Modell ging es aber um den Raum als solchen, um die Metrik und Topologie des Raumes an sich, um Mannigfaltigkeiten und den Krümmungsskalar. Der de Sitter-Kosmos war also ein Kosmos ohne Materie, ein mathematisches Konstrukt. Immerhin sagte das Modell Rotverschiebungen des Lichtes voraus. Auch das de Sitter-Modell war ein Schritt auf dem Weg zu jener Vorstellung, die dann dominierend werden sollte. Aber es dauerte noch, bis das alte Bild vom statischen Universum vom neuen Bild des expandierenden Universums abgelöst wurde.

Edwin Hubble setzte seine Beobachtungen systematisch fort. Bis 1929 hatte er von 24 Galaxien einigermaßen verlässlich mit Hilfe der in ihnen nachgewiesenen Cepheiden die Entfernungen bestimmt. Und dabei bemerkte er dann auch, dass es zwischen den Entfernungen und den Rotverschiebungen eine Korrelation gibt: Die Rotverschiebung in den Spektren der Galaxien wächst proportional mit ihrer Entfernung zu uns. 1931 veröffentlichte Hubble eine Publikation, in der er die Korrelation von Entfernung und Geschwindigkeit bis zu Distanzen von 30 Megaparsec nachwies und den Proportionalitätsfaktor mit 530 km * s-1 * Mpc-1 bestimmte. Obwohl der ziemlich falsch war, wurde er später ihm zu Ehren als Hubble-Konstante H bezeichnet und die nimmt in der Kosmologie auch heute einen wichtigen Platz ein. Dazu später mehr.

Abb.: II/01 Hubbles Entfernung-Geschwindigkeits-Diagramm von 1929 sah etwa so aus. Es umfasste die Daten von gerade mal 30 Objekten. Daraus eine Entfernungs-Geschwindigkeits-Relation abzuleiten ist schon legitim; sie als für das ganze Universum gültig definieren zu wollen, jedoch ziemlich kühn. Letzteres hat Hubble auch nie gemacht. (Die Grafik ist eine Nachzeichnung. Das Original des Hubble-Diagramms ist unter www.pnas.org/content/101/1/8.full einsehbar)

Hubbles Entdeckung wurde noch als Nebelflucht bezeichnet und als Konsequenz des Dopplereffektes gedeutet. Man nahm also zunächst an, die Galaxien würden sich voneinander entfernen, aber das in einer Bewegung durch den Raum. Wenn sich die Galaxien in ihrer so auffälligen Mehrzahl voneinander entfernen, musste es irgendeinen physikalischen oder kosmologische Mechanismus geben, der sie mit solchen enormen Geschwindigkeiten durch den Raum treibt. Das war ein Rätsel. Welche Kraft sollte da im Spiel sein, die so etwas bewirken konnte.Und da kam nun Lemaître. Und jetzt konnte aus den theoretischen Überlegungen und aus der Kenntnis der Rotverschiebung der Nebel und der Fluchtgeschwindigkeiten die eigentliche Bedeutung der Beobachtungsfakten abgeleitet werden: Das ganze Universum expandiert!

Das war kaum zu glauben, es widersprach den bis dahin gültigen Vorstellungen vom Universum gründlich – aber die Beobachtungsdaten waren mit den Formeln “deckungsgleich”. Daran kam man nur noch schwerlich vorbei.

Damit wird auch erklärbar, warum das Friedmannsche Kosmosmodell nach 1930 herausgekramt wurde, denn erst mit der Entdeckung durch Hubble wurde das theoretische Fundament gebraucht, mit dem sich die allgemeine Expansion erklären ließ. Das Feld war beackert, will sagen, die Zeit war nun erst reif für Friedmanns Formeln und Lemaîtres Modell und diese stießen erst jetzt auf die volle Aufmerksamkeit und Anerkennung der Wissenschaftler.

Übrigens war Hubble's Entdeckung keineswegs unumstritten. Nobelpreisträger Steven Weinberg schrieb noch sehr viel später:

"... Wenn ich mir seine (die von Hubble) Daten anschaue, wundert mich, wie er zu einem solchen Schluss gelangen konnte. Zwischen der Geschwindigkeit und der Entfernung der Galaxien scheint beinahe kein Zusammenhang zu bestehen, und es besteht nur eine schwache Tendenz, dass die Geschwindigkeit mit der Entfernung wächst. ... Man kommt kaum um die Schlussfolgerung herum, dass Hubble die Lösung, auf die er hinauswollte, schon vorher kannte..."

(Steven Weinberg; Die ersten drei Minuten; Piper Verlag GmbH München; 1977; S. 40) Der Nachfolger Hubbles auf dem Mount Wilson und in der Königsrolle unter den Astronomen, Allan Rex Sandage (1926-2010), drückte das freundlicher aus, als er über seinen Lehrmeister schrieb:

„ ... Seine Platten waren nicht sehr gut, er war kein guter Beobachter, aber er drang jedes mal unfehlbar zur Wahrheit vor ...”

(Allan Sandage; zitiert in Dennis Overbye; Das Echo des Urknalls; Droemersche Verlagsanstalt Th. Knaur Nachf.; 1993; S. 74)

So kann man es auch sehen.

In der Tat hatte Hubble nur die am nächsten gelegenen (anfangs nur 18 oder 24, dann 30) Galaxien untersucht und die Rotverschiebungseffekte sind in solchen Entfernungen tatsächlich nur sehr schwach. Außerdem waren die ja auch schon von Slipher, freilich nicht als Galaxien, untersucht worden. Vielleicht hat daher bei Hubble auch der gesamte oben dargelegte Denkhintergrund eine Rolle gespielt. Wenn man der Literatur Glauben schenken kann, hat sich aber Hubble erst nach 1930 und von einem Kollegen ausdrücklich darauf hingewiesen mit den Arbeiten Lemaîtres und damit mit dem Friedmannschen Kosmosmodell befasst, worin er erst nachträglich eine gewisse theoretische Bestätigung seiner Beobachtungen fand. Allerdings war er Zeit seines Lebens nicht überzeugt, dass es sich tatsächlich um eine Expansion des Universums handelt. Das ist schon irgendwie makaber: Seit Langem und bis heute wird Hubble als Entdecker der Expansion gepriesen, also genau der, der nie von der Realität der Expansion überzeugt war. Tja, so kann es auch gehen.

Einige Worte mehr, als bisher zu ihm hier niedergeschrieben, verdient Lemaître. Georges Edouard Lemaître (1894 - 1966) hatte eine Jesuitenschule, eine katholische Universität und das Priesterseminar in Mechelen besucht. Er war also tatsächlich von Beruf Priester. 1940 wurde er sogar in die Päpstliche Akademie der Wissenschaften berufen, von 1960 bis zu seinem Tod war er deren Präsident. Aber er hatte auch Technik, Physik und Mathematik studiert, 1920 in Mathematik promoviert, sich in Cambridge bei Eddington mit Astronomie befasst und schließlich am Massachusetts Institute of Technology 1927 einen zweiten Doktortitel erworben. Im gleichen Jahr veröffentlichte er seine Ideen zur Expansion des Universums. Das aber in französischer Sprache und in der kaum bekannten Zeitschrift Annales de la Société scientifique de Bruxelles. Kaum jemanden interessierte es, was der Priester sich da ausgedacht hatte. Und bis Hubbles öffentlichen Daten waren es ja noch 4 Jahre.

Erst 1931 erschien Lemaîtres Arbeit auch in englischer Sprache. Noch später bemerkte man, dass er bereits 1929 Berechnungen zur Expansionsrate und zum Proportionalitätsfaktor vorgenommen hatte. Diese hatte er für die Veröffentlichung von 1931 wieder gestrichen, da ja inzwischen Hubble entsprechende Berechnungen vorgelegt hatte. Er war wohl der Meinung, er müsse ja nun nicht das wiederholen, was sein berühmter Kollege schon verkündet hatte.

Lemaître hatte sich auch und wohl als einziger einer weiter reichenden Konsequenz der Expansionsvorstellung genähert. In einem Vortrag auf einem Kongress in London erläuterte er, wenn man die Expansion zeitlich zurückdenke, so gelange man zwangsläufig an einen Anfang des Ganzen. Er stellte sich den Anfang als ein kosmisches Ei vor, ein Uratom, das die gesamte Materie beherbergen sollte. Das sei dann im Moment der Entstehung des Universums explodiert. Lemaîtres Uratom sollte zwar nicht so räumlich winzig sein, wie das die heutigen Vorstellungen dem Anfangszustand zubilligen, ähnelt Letzteren aber mit seiner offensichtlichen Strukturarmut, die in der heute gültigen Vorstellung vom Anfang als punktförmig definiert wird. Das Verdienst, als erster die Vorstellung entwickelt zu haben, das Universum habe einen Anfang und eine Entwicklung genommen, kommt ohne Zweifel Lemaître zu.

Das Uratom war bei Lemaître freilich von Gott geschaffen. Die moderne Physik konnte die Herkunft des allerersten Anfangszustandes und seiner Bedingungen bisher nicht so richtig nachvollziehbar erklären. Das ermunterte Lemaître zu der Bemerkung, jeder, der an ein höchstes Wesen glaubt, würde wohl froh sein “... zu sehen, wie die gegenwärtige Physik einen solchen Schleier bereitstellt, der die Schöpfung versteckt.” (Lambert, Dominique; Wurde die Urknalltheorie aus Glauben geboren? Lemaîtres Uratom-Hypothese; Universität Namur (Institut ESPHIN); Académie Royale de Belgique; 2017)

Als Papst Pius XII. einige Jahre später die Theorie vom Beginn des Universums als eine Bestätigung des katholischen Glaubens lobte, war der Abbé Lemaître darüber trotzdem wohl nicht gerade glücklich. Er bemühte sich, Religion und Wissenschaft auseinander zu halten.

“Soweit ich sehen kann, bleibt eine solche Theorie (von der Geschichtlichkeit des Universums – d.A.) völlig außerhalb jeder methaphysischen oder religiösen Frage. Sie lässt den Materialisten die Freiheit, jedes transzendente Wesen zu leugnen … Den Gläubigen lässt es jeden Versuch einer Vertrautheit mit Gott.”

(Quelle: Georges Lemaître, Father of the Big Bang; Cosmic Horicons; New Press; 2000 American Museum of Natural History)

Möglicherweise irritiert es trotzdem Atheisten wie Theisten gleichermaßen, warum ein katholischer Priester sich dermaßen engagiert und erfolgreich mit Naturwissenschaft beschäftigte. Aber warum soll jemand, der an das Wirken einer höheren Instanz glaubt, nicht danach streben, die Gedanken und Pläne dieser Instanz zu erforschen? Viele Naturwissenschaftler glaubten – und manche tun das wohl (wahrscheinlich sehr zum Leidwesen des berufsmäßigen Atheisten Richard Dawkins) noch immer – an die Existenz einer höheren Macht; nicht unbedingt an eine göttliche Person, wohl aber an eine über allem stehende, unserem Denken nie vollständig zugängliche, transzendente Instanz. Geschadet hat das noch niemanden, solange daraus nicht aus der gefühlten intellektuellen Nähe zur höheren Instanz geistige Überlegenheiten, besondere Ermächtigungen oder hervorzuhebende Berufungen abgeleitet werden, sondern mehr nur zurückhaltende Bescheidenheit gegenüber den eigenen Leistungen und achtungsvolle Bewunderung der Natur.

Bei Lemaître liegen die Dinge noch etwas anders. Gläubige Christen hatten lange Zeit und mitunter wohl auch noch heute ihre Zweifel, ob Lemaître nicht doch ein Abtrünniger war, also jemand, der die Schöpfungsgeschichte der Bibel leugnete und den katholischen Gauben nicht wirklich lebte.

Und auf der anderen Seite: Noch heute wird Lemaître in wissenschaftlichen Publikationen bezüglich der Expansion und der Urknall-Theorie selten erwähnt; und wenn, dann nur kurz als jemand, der wohl auch mal damit zu tun hatte. Das mag vor allem an dem Misstrauen liegen, dass wir ihm noch immer entgegenbringen. Vielleicht, so sind wir geneigt zu vermuten, wollte er mit seinen Vorstellungen doch nur die Naturwissenschaft in die Nähe zur Religion rücken, sie mit dem religiösen Glauben versöhnen und so der Religion zu mehr Ansehen zu verhelfen. Vielleicht sah er ja, ausgerüstet mit den ‘weltlichen’ Kenntnissen in Technik und Mathematik, Physik und Astronomie, seine Aufgaben als Priester gerade darin, die katholische Lehre auf wissenschaftlichen Boden zu stellen.

Sind wir also auf einen Trick reingefallen und war Hubble der Einzige, der sich nicht reinlegen ließ? Es gibt die Rotverschiebung, klar. Aber gibt es auch die Expansion wirklich? Und gab es den Anfang tatsächlich? Und wenn – warum? Was sollte bewirkt haben, dass dieses gewaltige Universum mit allen seinen Galaxien und Sternen, Kometen und Planeten, Energien und Kräften einen Anfang nahm? Und wie sollte so ein Anfang von Raum und Zeit und Materie eigentlich ausgesehen haben?

Das Denkmodell, zu dem Einstein die theoretische Grundlage geliefert hatte und das dann von Slipher. de Sitter, Friedmann, Hubble und Lemaître mit “Fleisch und Blut”, sprich mit Formeln und Beobachtungsdaten ausgestattet wurde, war keine Antwort, es war eine einzige große Frage: Warum? Warum ist das Universum so wie es ist und nicht anders? Und wenn es früher anders war, als heute, wie anders und warum? Und wie wird es dann in der Zukunft sein?

Wer war denn nun eigentlich der Entdecker der Expansion? Besonderen Anspruch, als solcher zu gelten, hat keiner der beteiligten Akteure erhoben. Eine Bescheidenheit, die uns heute ziemlich weltfremd erscheinen mag. Vielleicht kann man es so sagen: Slipher entdeckte die Expansion spektrographisch, de Sitter topologisch, Friedmann mathematisch, Lemaître kosmologisch und Hubble astronomisch. Erst alles zusammen erbrachte die noch heute gepflegte Vorstellung vom universalen Geschehen.

Die Naturwissenschaft war von der Vorstellung der seit ewigen Zeiten im Wesentlichen unverändert existierenden Welt vorgedrungen in eine dynamische Welt, die sehr viel, ja unvorstellbar größer ist als bisher angenommen, in der die Milchstraße nur eine von vielen Sterneninseln ist und in der mit ziemlicher Sicherheit weder der Mensch, noch die Erde, noch die Milchstrasse in ihrem Mittelpunkt ruhen und so als bevorzugt anzusehen wären. Das war ein gewaltiger Denkfortschritt. Jedoch waren da auch Zweifel. So klar und unumstritten war das alles noch nicht. Es gab offensichtlich noch viel zu tun, wollte man die Welt verstehen und begreifen. Und war man denn auch auf dem richtigen Weg?

Ein Irrtum als große Entdeckung

Zurück in die Historie.

Dass sich eine große Entdeckung als ein noch größerer Irrtum herausstellt, ist auch in der Naturwissenschaft gar nicht so selten. Aber die Umkehrung, dass ein Irrtum eine große Entdeckung ist, gehört nicht eben zum wissenschaftlichen Alltag. Genau das aber ist der vielgerühmte Doppler-Effekt. Dazu muss ich etwas ausholen.

Was hat es denn eigentlich mit der Rotverschiebung auf sich? Strahlung hat immer eine bestimmte Frequenz, denn es handelt sich um Wellen, um Schwingungen. Wie oft eine bestimmte Schwingung in einer bestimmten Zeiteinheit eine ganze Wellenlänge durchläuft, das ist die Frequenz. Da sich elektromagnetische Strahlung mit der endlichen Lichtgeschwindigkeit c fortpflanzt, ist die Frequenz solcher Strahlung ausschließlich von der Länge der Wellen abhängig.

Elektromagnetische Strahlung deckt ein breites, kontinuierliches Spektrum verschiedener Wellenlängen ab, von der hochfrequenten Gammastrahlung bis zur langwelligen Radiostrahlung.

(Möglicherweise muss gesagt werden, dass die Radiostrahlung, von der die Astronomen und Kosmologen sprechen, mit unserem irdischen Hörfunk nur bezüglich der Wellenlängen etwas gemein hat. Wenn also von Radioastronomie die Rede ist, heißt das nicht etwa, dass die Astronomen nach Radiosendungen Außerirdischer suchen, sondern sie untersuchen die langwellige, natürliche elektromagnetische Strahlung kosmischer Objekte. Vielen Lesern wird diese Anmerkung völlig überflüssig sein, aber man weiß ja nie ...)

Eingebettet in das kontinuierliche Strahlungsspektrum liegt auch der Bereich des sichtbaren Lichtes als ein kleiner Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Bei der Analyse von Spektren der elektromagnetischen Strahlung entdeckte man dunkle Linien in den Spektren und Kirchhoff und Bunsen hatten herausgefunden, dass diese Linien von ganz bestimmten Elementen stammen. Jedes Element – Wasserstoff, Helium, Eisen usw. – erzeugt, wenn es bei der Entstehung der jeweiligen Strahlung beteiligt ist, im Strahlungsspektrum charakteristische Linien, die in ihrer Größe und Position im Spektrum für das jeweilige Element typisch sind. Auf diese Weise kann man auch exakt feststellen, welche Elemente an den in den Sternen stattfindenden Prozessen beteiligt sind, aus welchen Elementen die interstellare Materie besteht u.a..

Bei der Analyse der Spektren der verschiedenen Galaxien stellte man fest, dass diese charakteristischen Linien der Elemente sich nie genau an dem Platz befanden, an dem sie eigentlich hätten sein müssen. Als Vergleich dienen hier jene Linienspektren, wie sie bei Laborexperimenten bzw. bei Zerlegung des Sonnenlichts entstehen. Bei der überwiegenden Mehrzahl der extragalaktischen Objekte waren und sind die Linien in langwelligere Positionen, also mehr zum roten Teil des Spektrums verlagert.

Für diese Rotverschiebung gab es eine einfache Erklärung, deren theoretische Basis der so genannte Doppler - Effekt lieferte. Dieser Effekt wurde 1842 vom Realschul-Mathematiklehrer Johann Christian Doppler (1803-1853) erstmals propagiert. Dabei war Dopplers „Entdeckung“ zunächst nichts anderes als ein eklatanter Irrtum. Er hatte seine Ansichten am 25. Mai 1842 in einem Referat vor der königlich-böhmischen Gesellschaft der Wissenschaften in Prag vorgetragen. Später wurde sie unter dem Titel “Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels” veröffentlicht. Worum ging es? Doppler meinte, die beiden Sterne in einem Doppelsternsystem würden verschiedene Farben aufweisen und diese seien die Konsequenz der Bewegung der Sterne umeinander. Der Stern, der uns jeweils entgegen rast, hätte eine andere Farbe als jener, der sich entfernt.

„…Bei einer Annäherung nimmt die Intensität jedenfalls zu, die Färbung dagegen geht bei steigender Geschwindigkeit von Weiss in Grün, von da in Blau und endlich in Violett über. … Bei einem Entfernen vermindert sich dessen Intensität in jedem Falle und das weisse Licht geht allmählig in Gelb, Orange und endlich in Roth über.“ (Christian Doppler; Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels; 1842; Reprint bei F. J. Studnicka 1903; aus Wikipedia)

Doppler konnte entsprechende Formeln vorlegen und seine Überlegungen ausführlich begründen. Er sagte auch für den Schall Tonhöhenverschiebungen als Konsequenz der Bewegung voraus. Und daraus ergab sich nun eine ziemlich groteske Situation: Doppler hatte eine große Entdeckung gemacht, aber befand sich trotzdem in einem Irrtum. Das Licht der Sterne ist nämlich gar nicht so farbig, wie es Doppler vorkam. Ein Sern strahlt Licht aller Wellenlängen ab, sein Licht ist daher eigentlich weiss. Dass wir Sterne verschiedener Farbe wahrnehmen, ist hauptsächlich die Konsequenz der Oberflächentemperatur. So ist der eine Stern gelblicher, ein anderer eher bläulich. Blaue Sterne haben eine große Metallizität, also einen großen Anteil an Elementen schwerer als Wasserstoff und Helium. Solche Sterne findet man hauptsächlich in den Spiralarmen der entsprechend strukturierten Galaxien. Rötliche Sterne dagegen sind relativ arm an schweren Elementen und bevölkern mehr die Kerngebiete und die Halos der Galaxien. Außerdem spielen bei der Farbwahrnehmung die verwendeten Beobachtungsgeräte und die subjektive Wahrnehmung eine Rolle.

Das Farbenspiel der nahen Doppelsterne ist eine Mischung aus Temperaturwahrnehmung und Sinnestäuschung. Trotzdem gibt es den Farb-Effekt, aber nicht bei so nahen Sternen und den entsprechenden geringen Geschwindigkeiten. wie sie seinerzeit beobachtet werden konnten. Die Astronomen lehnten Dopplers Thesen zunächst sowieso vehement ab, denn er hatte die Geschwindigkeit der Sterne in einem Doppelsternsystem viel zu hoch angesetzt und bei seinen Überlegungen infrarotes und ultraviolettes Licht ganz außer acht gelassen.

Aber schon 1845 bewies der Niederländer Buys-Ballot in einem Experiment den Dopplereffekt beim Schall. Und kaum sechs Jahre nach Dopplers Tod wurde die Spektralanalyse entwickelt. Als man die dunklen Linien in den Lichtspektren verschiedenen Elementen zuordnen konnte, entpuppte sich Dopplers Irrtum als eine bedeutende Entdeckung, die für die Astronomen fortan ein extrem wichtiges Handwerkzeug wurde. Es ging nicht so sehr um die Farbe des Sternenlichtes, sondern vielmehr um die Verschiebung der Spektrallinien. Diese werden bei hohen Geschwindigkeiten in den blauen oder roten Bereich des Spektrums verschoben. Doppler hatte das Richtige herausgefunden, aber am falschen Objekt. So kann es auch gehen in der Naturforschung.

(Fakten-Quelle: Christian Pinter; Missgriff mit schweren Folgen; Wiener Zeitung; 06. 05. 2011)

Den Doppler-Effekt kann jeder von uns heute ohne großen Aufwand beobachten. Er muss sich dazu nur an eine Autobahn stellen (bitte auf einen Parkplatz) und das Geräusch der vorbeirasenden Autos beobachten. Er wird leicht feststellen, dass das Geräusch der sich nähernden Fahrzeuge in einer höheren, das der sich entfernenden Autos in einer tieferen Tonlage klingt. Wie kommt das, wenn man doch annehmen kann, dass das vom Motor und von den Reifen erzeugte Fahrgeräusch im Allgemeinen weder vom Standort des Autos noch von dem des Beobachters abhängig ist?

Das vom Auto erzeugte Fahrgeräusch hat eine ganz bestimmte Frequenz. Gleichmäßig nach allen Seiten abgestrahlt, eilt es natürlich auch dem Auto voraus auf den Beobachter zu. Die Schallquelle bewegt sich ihrerseits auch mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung des Beobachters. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in der Luft ist jedoch endlich (ca. 340 m/sec.). Schneller als mit dieser Geschwindigkeit kann der Schall dem fahrenden Auto nicht vorauseilen. Es tritt daher der Effekt ein, dass die Schallwellen-Pakete, während sich das Auto bewegt, gewissermaßen ‚zusammengeschoben’ werden, das Geräusch des fahrenden Autos in Fahrtrichtung also kürzere Wellenlänge bekommt. Kürzere Wellenlänge bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit heißt aber höhere Frequenz, also höherer Ton. Beim sich entfernenden Auto kehrt sich das um. Daher wechselt die Tonhöhe des Geräusches im Moment des Vorbeifahrens auch schnell vom höheren in den tieferen Bereich.

Das verschobene Licht

Der gleiche Effekt tritt nach allgemein anerkannter Auffassung der Wissenschaft auch bei Lichtwellen auf. Wenn also die Linien in den Spektren kosmischer Objekte in langwelligere Bereiche verschoben sind, so kann man daraus schlussfolgern, dass sich die Objekte vom Beobachter entfernen. Einige Galaxien in unserer näheren Umgebung weisen jedoch eine Violettverschiebung, also eine Verschiebung in kurzwelligere Bereiche auf, sie müssen sich uns also nähern, bzw. wir ihnen. Das kann man durchaus glaubwürdig damit erklären, dass unsere heimatliche Galaxie zusammen mit unseren Nachbargalaxien zu einem Galaxienhaufen gehört und in einem solchen System die einzelnen Mitglieder Eigenbewegungen ausführen, die sich aus der Struktur des Haufens ergeben und nichts mit der allgemeinen Expansion zu tun haben, ihr auch nicht unbedingt widersprechen müssen. Im Allgemeinen gilt heute aber als gesichert, dass sich die Mehrzahl der Galaxien von uns entfernt.

Das Maß für die Verschiebung der Spektrallinien wird üblicherweise mit dem Buchstaben z bezeichnet. Zu errechnen ist z mit einer denkbar einfachen Beziehung:

z =(lobs - lem)/lem. Dabei ist lobs jene Wellenlänge, die man im Licht der fernen Sterne oder Galaxien beobachtet, lem die Wellenlänge, von der man annimmt, dass das Licht genau so von der Quelle ausgestrahlt wird, weil man diese Wellenlängen so im Sonnenspektrum und im Labor messen kann. Und wenn die Rotverschiebung dafür steht, dass sich Objekte von uns entfernen, dann muss z auch geeignet sein, daraus die entsprechende Geschwindigkeit abzuleiten, mit der sich die Objekte bewegen. Diese Relation ist noch einfacher: v = c * z.

Abb.: II/02 Prinzipdarstellung des Dopplereffektes.

Oben: Eine Strahlungsquelle ruht bei 10 im Raum und emittiert in einer Zeiteinheit eine Welle mit der Wellenlänge einer Raumeinheit. Die Welle bewegt sich durch den Raum und erreicht in 0 in ihrer Länge unverändert einen Beobachter. So würde man die Wellenlänge der gleichen Strahlung auch im Labor messen.

Mitte: Während der Zeiteinheit bewegt sich die Quelle um eine Raumeinheit von 10 in 11. Da sie wiederum in dieser einen Zeiteinheit eine Welle emittiert, hat diese nun die Wellenlänge 2 Raumeinheiten. z = 2-1/1=1; z = 1 entspricht einer Expansion mit v = c

Unten: Die Strahlungsquelle bewegt sich in einer Zeiteinheit um drei Raumeinheiten. Die Wellenlänge wird nun auf 4 Raumeinheiten gedehnt, also rotverschoben. z = 4-1/1 = 3; v = 3 c

Die Astronomen konnten also aus der Messung der Rotverschiebung leicht den Faktor z bestimmen und aus diesem direkt auf die Geschwindigkeit schließen, mit der sich die Galaxien von uns entfernen. Das alles ergab sich aus dem Doppler-Effekt und war zunächst unkompliziert. Die Galaxie 3C 403 zum Beispiel zeigt eine Rotverschiebung von 0,056. Ihre Fluchtgeschwindigkeit beträgt 5,6 % der Lichtgeschwindigkeit. Das ist zwar in unseren irdischen Maßstäben eine enorme Geschwindigkeit; aber bitte, wir haben es mit Galaxien und dem Kosmos zu tun. Das Spektrum des zuallererst entdeckten Quasar 3C 273 weist eine Rotverschiebung von z = 0,158 auf. Das entspricht einer Geschwindigkeit von rund 47.000 km/s, die einem Autofahrer zwar extrem hoch erscheinen wird, aber eben immer noch nur etwa 15 % der Lichtgeschwindigkeit ausmacht.

Je genauer die Astronomen beobachten und messen konnten, umso weiter blickten sie auch hinaus und umso größer wurden Rotverschiebungen und Fluchtgeschwindigkeiten. Als man dann noch fernere Galaxien und gar Quasare zu entdecken begann, bewegte man sich bei den Fluchtgeschwindigkeiten alsbald in den Regionen knapp unter der Lichtgeschwindigkeit. Einmal ins Spiel gekommen, wurden bald noch mehr Quasare entdeckt. Und je mehr man entdeckte, umso größer wurden auch ihre Rotverschiebungen. Schnell gerieten die z-Werte in die Nähe von 1. Bei z = 1 wäre die Expansionsgeschwindigkeit, rechnet man mit obiger Formel, identisch mit der Lichtgeschwindigkeit. Aber es ging mit z noch höher hinaus. Rotverschiebungen von 2 oder 3 waren bei Quasaren schon bald selbstverständlich. Bei dem Quasar J1148+5251 maß man dann ein z von 6,42. Aber selbst das war noch nicht das Ende der Fahnenstange. Mit den in jüngerer Zeit zur Verfügung stehenden Präzisionsgeräten ging es noch höher hinauf. 2010 wiesen die Astronomen bei der Galaxie UDFy-38135539 eine Rotverschiebung von z = 8,6 nach. Und im Hubble Ultra Deep Field fand man die Galaxie UDFj-39546284, die uns ihr Licht mit z = 10,3 zuflimmert. Das ist wohl gegenwärtig der Rekord.

Doppelte oder 3fache, ja sogar 10fache Lichtgeschwindigkeit, mit der sich Galaxien und Quasare von uns weg bewegen sollten, widersprachen eklatant der Einstein’schen Prämisse von c als Grenzgeschwindigkeit, die kein Objekt überschreiten könne. Z > 1 – das war Gotteslästerung, mindestens aber Volksverhetzung und Antisemitismus. Rat war schnell bei der Hand. Wenn sich ferne Galaxien mit hoher Geschwindigkeit von uns weg bewegen, sollte man, so die Überlegung, doch auch die Relativitätstheorie berücksichtigen. Also wurde der Dopplereffekt mit der Zeitdilatation verknüpft zu der Formel:

z = ((1 + v / c ) / √(1- v2 / c2)) – 1.

Das kann man nach der Geschwindigkeit umstellen, die sich dann errechnet mit

v = (((1+z)2-1) / ((1+z)2+1)) * c.

(Die Formeln sind nicht so kompliziert, wie sie auf den ersten Blick aussehen mögen. Die vielen Klammern mögen verwirren, aber sie dienen der Festlegung der Hierarchien bei den Rechenvorgängen.)

Man kann c auch gleich 1 setzen, wenn man alle Geschwindigkeitswerte als Dezimale ausdrückt. Die Formel für z lautet dann in verbaler Schreibweise: Wurzel aus dem Quotienten von 1+v und 1-v oder z = (√(1+v/1-v))-1; das geht auch. Und für v steht dann da eigentlich nicht anderes als: 1+z zum Quadrat minus 1 dividiert durch 1+z zum Quadrat plus 1. Mathematische Formeln sehen manchmal komplizierter aus als sie es sind, aber häufig ist es auch umgekehrt.)

Nur mal eine Proberechnung: Wenn z = 3 ist, dann ergibt sich für v der Dezimalwert ≈0,88. Eine Galaxie mit der Rotverschiebung von 3 würde sich also nach diesen Formeln nicht mit dreifacher Lichtgeschwindigkeit entfernen, wie es nach der reinen Dopplerverschiebung sein müsste, sondern in der Kombination von Dopplereffekt und Zeitdilatation mit 88 % von c. Die oben erwähnten z = 8,6 der Galaxie UDFy-38135539 würden eine Fluchtgeschwindigkeit von ≈ 0,979 c repräsentieren; und auch die z =10,3 lassen UDFj-39546284 mit “nur” 0,984 c entfliehen. Das ist zwar eine extreme große Geschwindigkeit, fast Lichtgeschwindigkeit, aber nur fast.

Selbst wenn man ein Objekt mit z = 100 aufspüren würde, wäre dessen Fluchtgeschwindigkeit noch kleiner c. Rechnen Sie es ruhig nach. Welchen Wert man auch für z finden würde, die Fluchtgeschwindigkeit wäre nach diesen Formeln immer kleiner c. Die Spezielle Relativität und Einstein waren gerettet.

Die Physiker aber waren schnell ernüchtert. So beruhigend die mathematischen Relationen zunächst schienen, sie kamen Manchem auch etwas gequält vor. Und außerdem war da jetzt plötzlich das Problem der relativistischen Zeitdilatation und Raumkontraktion.

Wenn man die Spezielle Relativität in der dargestellten Art und Weise berücksichtigte, stellte sich die Frage, ob man dann überhaupt noch eine einheitliche kosmologische Zeit und eine einheitliche, auf das ganze Universum anwendbare räumlich Bezugsgröße zur Verfügung hatte. Wie wollte man dann kosmologische Prozesse, die sich in großen Entfernungen abspielten, verlässlich beurteilen und allgemeingültig einordnen. Und überhaupt: Das Dopplerprinzip bezieht sich auf Objekte, die sich durch den Raum bewegen. Und Lemaître hatte in seinem Modell ja auch ein Uratom explodieren lassen. Dessen Trümmer, so zunächst die Vorstellung, würden nun in Form von Galaxien den Raum in allen Richtungen durcheilen.

Aber die Formeln Lemaîtres, Friedmanns und auch de Sitters bezogen sich nicht auf die Splitter einer Explosion, sondern auf den Raum und seine Dynamik. Dann konnte es nur so sein, dass es der Raum ist, der expandiert. Die Galaxien schwimmen darin mit, aber die Rotverschiebung der Lichtspektren muss dann die Konsequenz der Expansion des Raumes sein.

So logisch und zwingend uns das heute erscheint, – besonders weil es uns seit Jahrzehnten so erzählt wird – vor nur rund einem Jahrhundert traf diese Vorstellung keineswegs auf den ungeteilten Beifall der Wissenschaftler, vielmehr sogar auf ihr blankes Entsetzen. Viele standen den beobachteten Werten der Rotverschiebung, wie auch ihrer Interpretation sehr misstrauisch gegenüber und fanden die Vorstellung, das Ganze solle irgendwann einen Anfang genommen haben, ziemlich unvorstellbar.

Einstein zeichnete sich auch in dieser Frage durch tiefe Skepsis aus. Die Vorstellung würde ihn doch sehr irritieren, äußerte er. Erst ein ausführlicher Austausch mit Lemaître stimmten ihn soweit um, dass er schließlich die Idee für interessant und faszinierend hielt.

Edwin Hubble war offensichtlich nicht zu überzeugen. Der verschlossene und gegenüber seinen Mitmenschen unfreundliche Hubble blieb vorsichtig, er vermied den damals gebräuchlichen Begriff der Nebelflucht weitestgehend und gebrauchte lieber den Begriff Rotverschiebung. Noch 1937 soll er auf eine entsprechende Frage sehr gereizt geantwortet haben: "Kann schon sein, dass Sternensysteme auf so sonderbare Weise entfliehen. Immerhin eine ziemlich überraschende Vorstellung." In einer Veröffentlichung hat Hubble die Expansion sogar als eine „erzwungene Interpretation“ bezeichnet. Und Allan Sandage, der selbst unverzichtbare Beiträge zur Bestätigung der Theorie geleistet hat, soll noch 1974 geäußert haben, die Vorstellung vom expandierenden Universum sei so befremdlich, dass sie gar nicht wahr sein könne.

Jedenfalls war die ursprüngliche Interpretation, die Galaxien würden durch den Raum auseinander fliegen, nicht aufrecht zu erhalten. Immer seltener sprachen die Astronomen und Kosmologen nun von Nebel- oder Galaxienflucht, immer mehr und selbstverständlicher von der Expansion des Raumes und des ganzen Universums.

Diese Vorstellung setzte sich durch: Es ist primär der Raum, der expandiert und erst in dessen Folge entfernen sich die Galaxien voneinander. Man kann sich das an einem einfachen Beispiel anschaulich machen: Kleben sie sich auf einen Luftballon irgendwelche Papierschnipsel, die die Galaxien darstellen sollen. Wenn sie nun den Luftballon aufblasen, so vergrößert sich der Abstand zwischen den Schnipseln, d.h. die Galaxien entfernen sich voneinander. Und zwar entfernt sich eine jede von jeder anderen. Wenn die Beobachtung also zeigt, dass sich fast alle Galaxien von uns entfernen, so heißt das nicht, wir würden irgendeine bevorzugte Stellung im Universum einnehmen, sondern das ist nur die Konsequenz der Expansion des Raumes.

Jetzt wandelte sich notwendig auch das Bild von der Rotverschiebung der Spektrallinien. Sie wurde nicht mehr einfach als eine Konsequenz von Bewegung und Geschwindigkeit definiert, sondern als eine der Raumdehnung. Der Dopplereffekt ergibt sich, wenn die lichtaussende Quelle sich im Raum bewegt. Von einem Zeitpunkt zum nächsten kommt immer noch ein Stück Weg hinzu. Die Wellenlänge vergrößert sich, da das Licht von Zeitpunkt zu Zeitpunkt eine größere Distanz zurückzulegen hat. Im expandierenden Raum vergrößert sich freilich auch die zurückzulegende Distanz. Das aber als Konsequenz der Raumdehnung. Diese wirkt während des ganzen Weges des Lichts von der Quelle zum Beobachter auf die Wellenlänge ein. Es leuchtet ohne Weiteres ein, dass sich die Wellenlängen des Lichts dehnen, wenn sich das Licht auf seinen Weg durch einen sich ständig vergrößernden Raum bewegt.

Bei der kosmologischen Rotverschiebung bleiben der Dopplereffekt und auch die relativistische Zeitdilatation unberücksichtigt. Zwar bewegen sich auch die Galaxien relativ zueinander, aber ausschlaggebend ist die Expansion des Raumes. Die beobachteten Bewegungen sollen nach der Allgemeinen Relativitätstheorie keine relativistischen Zeiteffekte auslösen und die Spezielle Relativität sei ohnehin nicht zuständig, denn sie verlange ja Bewegungen durch den Raum und nicht Bewegungen zueinander.

Vielleicht stutzt der eine oder andere Leser an dieser Stelle, meinte er doch bisher, die Spezielle Relativität beziehe sich ausschließlich auf relative Bewegungen, also auf Bewegungen zweier Bezugssysteme relativ zueinander. Der betroffene Leser muss sich nicht wundern und darin einsam fühlen. Mir geht es genauso. Ich will es hier aber noch bei dem Wundern belassen. Dass ein expandierender Raum Rotverschiebungen hervorruft, bleibt unbestritten. Dass relative Bewegungen der Galaxien zueinander aber nichts mit der Speziellen Relativität zu tun haben sollen – immerhin ziemlich überraschend.

Abb.: II/03 Prinzipdarstellung der Längendilatation als Konsequenz der Raumexpansion. Da zwischen Quelle und Beobachter infolge der Expansion immer mehr Raum hinzukommt, wird die Wellenlänge immer mehr gedehnt. Die Rotverschiebung ist in diesem Fall mehr die Konsequenz der Entfernung. Diese wiederum steht mit der Expansionsrate des Raumes in Beziehung, aber eben mit dieser. (Achtung: Es handelt sich um eine Prinzipdarstellung. Die Expansion des Raumes erfolgt in alle drei Raumdimensionen, hier ist sie auf eine Dimension reduziert. Sollte es dem Leser unklar sein, wie sich der leere Raum dehnen kann, so hilft hier die Vorstellung, es würde ständig Raum erzeugt werden, so dass die Distanz zwischen zwei Objekten in Abhängigkeit von der Zeit und der „Raumentstehungsrate“ stetig anwächst. Ich will das nur mal als eine Denkmöglichkeit erwähnt haben.)

Seit die Raumexpansion und die kosmologische Rotverschiebung ins Spiel kamen, ist es auffällig ruhiger um die Geschwindigkeiten geworden, mit denen sich Galaxien oder Quasare von uns entfernen sollen. Verständlich, wenn diese jetzt bedeutungslos sein soll. Jetzt spielt eine größere Rolle, um wie viel kleiner das Universum zu dem Zeitpunkt war, als das Licht des betreffenden Objektes emitiert wurde bzw. um wie viel größer es inzwischen ist. Dieser Skalenfaktor errechnet sich aus a = 1 / 1 + z. Eine Galaxie deren Licht eine Rotverschiebung von 1 ausweist, emittierte das uns heute erreichende Licht also zu einem Zeitpunkt, da das Universum nur halb so groß war wie heute. Daraus lassen sich Altersbestimmungen dergestalt ableiten, dass man bei fernen Galaxien und Quasaren sagen kann, zu welchem Zeitpunkt (in etwa) nach dem Urknall sie das uns heute erreichende Licht ausstrahlten. Das Licht von UDFy-38135539 soll schon 13,1 Milliarden Jahre alt sein. Die Galaxie muss es also, nach den gegenwärtig gültigen Altersbestimmungen, schon 700 Millionen Jahre nach dem Urknall gegeben haben, UDFj-39546284 mit z = 10,3 würde bereits 570 Millionen Jahre nach dem Beginn existiert haben. In kosmologischen Maßstäben erstaunlich kurze Zeiten.

Über Geschwindigkeiten kann man mitunter trotzdem noch lesen. Das sind dann schon wieder ziemlich selbstverständlich Geschwindigkeiten größer der des Lichtes. Eine Formel, wie diese aus den kosmologischen Rotverschiebungen berechnet werden, findet man nicht. Auch erklärt werden solche Geschwindigkeiten kaum, allenfalls wird auf Raumzeit-Diagramm-Konstruktionen verwiesen, aus denen man die Geschwindigkeit ablesen kann. Auch sei für die Geschwindigkeit das jeweilige Kosmos-Modell wichtig. Für die allgemeine Hintergrundstrahlung wird eine Rotverschiebung von z = 1000 angegeben. Ihre Geschwindigkeit soll zum Zeitpunkt der Emission bei 56 c gelegen haben. Heute soll sich die Hintergrundstrahlung mit 3,2 c bewegen. Die Geschwindigkeiten sind offensichtlich auch nicht mehr das, als was sie mal galten.

Irgendwie scheint jenes Konzept aus den 20 Jahren des vorigen Jahrhunderts, das so viele neue Erkenntnisse brachte und so aufregend und heftig umstritten war, inzwischen bis in unsere Tage ziemlich verflacht zu sein. Der Raum expandiert? Na schön. Mit 56 c? Na toll. Früher war das Universum viel kleiner? Na und? Dass uns das für gewöhnlich nicht so bewegt, liegt daran, dass uns weder die Raumdehnung noch die 50fache Lichtgeschwindigkeit noch vorstellbar sind. Und ein Universum halb so groß wie heute – wie soll ich mir denn das vorstellen? Es macht eigentlich kaum noch Sinn, von Fluchtgeschwindigkeiten zu reden, denn die Galaxien fliehen ja nicht durch den Raum, sondern der Raum vergrößert sich. Das ist nicht mehr so spektakulär wie die Meldungen immer größerer Geschwindigkeiten, ja, aber wenn es die Raumexpansion gibt, dann ist eine Raumvergrößerungsrate gewiss angebrachter als eine Fluchtgeschwindigkeit.

Der Witz mit dem Urknall

Bezüglich unseres modernen Weltbildes war und ist das Denkmodell der allgemeinen Expansion des Universums ein gewaltiger Sprung in eine neue Dimension der Vorstellungen. Die weitreichenden Folgerungen aus der Erkenntnis lagen auf der Hand. Wenn sich das gesamte Universum in einer expandierenden Bewegung befand, dann musste diese Expansion irgendwann begonnen haben. Das aber konnte nur bedeuten, dass die Galaxien in früheren Phasen der Expansion in geringeren Entfernungen zueinander standen, in noch früheren Phasen die gesamte Materie auf engsten Raum zusammengedrängt war und möglicherweise zu einem solchen Zeitpunkt noch gar keine Galaxien und Sterne existent sein konnten. So wie man den Vorgang der Expansion konsequent in der Umkehrung denken kann, gerät man unweigerlich in die Nähe eines Zeitpunktes, da alles seinen Anfang genommen haben muss.

Das Universum versprach nun, sich aus der ewigen, unveränderlichen und unendlichen Unfassbarkeit zu einer irdisch-vorstellbaren, da endlichen Welt zu wandeln, die irgendwann ihre Existenz begonnen hatte und sich seitdem in Veränderung und Entwicklung befinden musste.

Aber die Vorstellung von einem Anfang war auch unfassbar. Ein Anfang von allem? Was war davor? Nichts? Gar nichts oder doch wenigstens etwas? Aber was? Daher nimmt es auch nicht Wunder, dass sich zunächst nur wenige Wissenschaftler ernsthaft der Frage zu stellen versuchten, wie denn ein solcher Anfang des Universums ausgesehen haben könnte, wenn es ihn denn gegeben haben sollte.

Einer der wenigen war der Russe Georgi Antonowitsch Gamow (1904 – 1968). Gamow hatte an der Universität Leningrad bei Friedmann, später in Göttingen bei Max Born, in Kopenhagen bei Niels Bohr und in Cambridge bei Ernest Rutherford studiert. Nach seinen Auslandsaufenthalten kehrte er in die Sowjetunion zurück und arbeitete als Professor in Leningrad. Dem Geheimdienst Stalins war Gamow wegen der vielen Kontakte ins Ausland wohl sofort verdächtig. Das spürte Gamow und es zog ihn, bevor Berija zuschlagen konnte, alsbald wieder in die weite Welt.

Nach erfolglosen Fluchtversuchen, die glücklicherweise unbemerkt blieben, gestattete man ihm, aus heutiger Sicht ziemlich überraschend (noch mehr, da er auch seine Frau mitnehmen durfte), die Teilnahme an der Solvey-Konferenz 1933 in Brüssel. Flugs drehten die Gamows die Länderkurzbezeichnung ihres Lebensmittelpunktes von SU in US. In den USA wurde Gamow an der George Washington University in Washington D.C. und an der University of Colorado in Boulder (USA) tätig. Gamow hat unverzichtbare Beiträge zur Entwicklung der Physik geleistet, so zum Verständnis des Alpha-Zerfalls, der thermonuklearen Synthese der chemischen Elemente und des Beta-Zerfalls. Zahlreiche populärwissenschaftliche Veröffentlichungen stammen ebenfalls aus seiner Feder.

George Gamow beschäftigte sich also als einer der Ersten mit der Frage, wie denn ein Anfang des Universums ausgesehen haben könnte. Wenn, so seine Überlegung, die gesamte Materie des Universums in einer frühen Phase auf einen extrem kleinen Raum zusammengedrängt, also komprimiert war, dann muss sie viele Milliarden Grad heiß gewesen sein. Uns, die wir eine recht genaue Vorstellung davon haben, was 30 Grad im Schatten und 100 Grad im Wassertopf sind, versagt jede Vorstellung, wenn wir von Temperaturen hören, die in Millionen und Milliarden Grad angegeben werden.

Um uns den Vorstellungen der Wissenschaftler einigermaßen nähern zu können, müssen wir uns kurz mit der Frage beschäftigen, was das eigentlich ist – Temperatur. Nichts im Universum befindet sich im absoluten Ruhezustand, alles ist in ständiger Bewegung. Auch die Atome eines Stoffes sind in Bewegung. Unter bestimmten Bedingungen kann man nun eine Situation herbeiführen, in der sich die Atome schneller bewegen, als unter bestimmten anderen Bedingungen. Das ist z.B. der Fall, wenn man dem Stoff Energie zuführt oder wenn man den Bewegungsraum der Atome einschränkt, den Stoff komprimiert. Wenn sich die Atome des Stoffes aber schneller bewegen, sprechen wir davon, seine Temperatur habe sich erhöht. Temperatur ist also wissenschaftlich nichts anderes als ein Maß für die Bewegung der Atome. Mit Hilfe unserer Sinnesorgane können wir das empfinden, aber eben nicht als die Bewegung der einzelnen Atome, sondern als einen Zustand des Stoffes, der auf unsere Sinnesorgane bestimmte Reize bis zu Zerstörungen ausübt.

Wenn nun die Atome sehr heftige Bewegungen ausführen, die Temperatur also sehr hoch ist, kommt es zu sehr viel häufigeren und heftigeren Kollisionen der Atome miteinander, als das bei ‚Normaltemperatur’ der Fall ist.

Man kann sich nun leicht im Anfangsstadium des Universums Temperatur-, sprich Bewegungsverhältnisse denken, bei denen die Atome infolge heftigster Bewegung ihrer Teile nicht existent sein konnten, weil die atomaren Teilchen gar keine Gelegenheit hatten, sich aneinander zu binden. Die Materie muss also unter solchen Bedingungen als ein diffuses Gemisch aus Elektronen und Nukleonen existiert haben. Das heißt, der Prozess der Entstehung des Universums ist zu Beginn ein Prozess des ‚Einfrierens’ einer thermonuklearen Ur-Materie zu Atomen infolge der mit einer Dekomprimierung oder Expansion einhergehenden ‚Abkühlung’. Die Expansion ist förmlich eine Notwendigkeit, damit die Teilchen ihre Bewegung verlangsamen und sich dann aneinander binden und zu Atomen formieren können.

Gamow entwickelte so erstmals die Vorstellung, das Universum müsse sich aus einer extrem heißen Anfangsphase heraus, in der die Materie auf kleinstem Raum komprimiert war, entwickelt haben. Gamows Theorie funktionierte zwar nicht, weil sie das Entstehen schwerer Elemente erklären wollte, in der frühen heißen Phase aber, wie wir heute wissen, sich nur die Kerne der Isotope von Wasserstoff, Helium, Lithium und Beryllium formieren konnten. Die schwereren Elemente wurden erst später in den Sternen “gekocht”. Die Häufigkeit der Elemente Wasserstoff und Helium sagte die Theorie jedoch richtig voraus. Und überhaupt sollte sie sich wegen der Voraussage des heißen Ursprung-Stadiums bis heute Bedeutung und Anerkennung bewahren. 1948 sagte Gamow voraus, dass auch heute noch ein Rest der ursprünglichen heißen Phase als Relikt- oder Hintergrundstrahlung beobachtbar sein müsste. Die Voraussage geriet zunächst schnell in Vergessenheit, erlangte aber später umso mehr Aufmerksamkeit. Uns wird sie auch noch beschäftigen.

Mit Gamows Theorie waren erstmals auf sehr direkte Weise Fragen der Kosmologie mit Fragen der Teilchenphysik verbunden worden. Gamow hatte angedeutet, was wenig später zu einer der tragenden Säulen der modernen Kosmologie werden sollte: Wenn wir die Entstehung und Entwicklung des Großen Ganzen verstehen wollen, müssen wir sehr viel vom Kleinsten des Kleinen verstehen. Nebenbei: Gamow zeigte sich auch, was bei Physikern freiwillig eher selten ist, als ein Spaßvogel. Für die 1948 veröffentlichte Theorie über die Elementenentstehung in der heißen Phase des Universums wurde die Autorenschaft von Alpher, Bethe und Gamow ausgewiesen. Ralph Alpher (1921 – 2007) war damals Doktorand bei Gamow und hatte mit seinen Forschungen über das Ylem (heißes Protonen- und Neutronengas) wichtige Beiträge zur Theorie geleistet.

Aber der deutsch-amerikanische Nuklearphysiker Hans Bethe (1906 – 2005) war völlig unbeteiligt. Gamow hatte ihn mitbenannt, weil er so der Theorie den interessant klingenden Namen “Alpha-Beta-Gamma-Theorie” geben konnte. Na ja, so richtig lustig ist das auch nicht. Und der Erfolg der Theorie hielt sich in engen Grenzen. Sie ist jedoch noch heute die Basistheorie der so genannten primordialen Nukleosynthese. Die sich entwickelnde Vorstellung vom heißen Anfangszustand des Universums fand jedoch damals noch lange nicht die ungeteilte Zustimmung der Wissenschaftler.

Im Juli 1948 veröffentlichten Hermann Bondi (1919 – 2005) und Thomas Gold (1920 – 2004), im August dann auch ihr damaliger Chef, der Engländer Fred Hoyle (1915 – 2001), Artikel, die das Gegenstück zum Universum mit einem Anfang – eine Theorie vom Universum ohne Anfang und Ende – propagierten. Alle drei hatten gemeinsam an dieser Idee gearbeitet, waren aber zu etwas unterschiedlichen Ansichten gelangt. Deshalb entstanden zwei verschiedene Artikel. Heute gilt Hoyle als der Hauptvertreter der Theorie vom stationären Universum, möglicherweise vor allem deshalb, weil er bis zu seinem Tod an dieser Idee festhielt, während sich die Mehrzahl der Wissenschaftler längst davon verabschiedet hat.

Nach Hoyles Theorie streben die Galaxien in einer allgemeinen Expansion zwar voneinander fort, aber in den dadurch entstehenden leeren Räumen entsteht ständig neue Materie, die sich zu neuen Galaxien ordnet. Daher bietet dieses Universum großräumig zu jedem beliebigen Zeitpunkt im Prinzip das gleiche Bild. Ein Anfang und ein Ende sind nicht denknotwendig.

Diese als Steady-State-Theorie bezeichnete Vorstellung hat sich bis in unsere Zeit wegen ihres nicht zu leugnenden gewissen Reizes gehalten, ist aber seit Langem ohne wirkliche Bedeutung in der Wissenschaftspraxis und führt hinter ihrer übermächtigen Gegnerin, der Urknall-Theorie, nur ein klägliches Schattendasein als eine ‚Die gab es halt auch’ - Theorie.

Sollte dem Leser ständig neu entstehende Materie unwirklich vorkommen, so sei unbedingt erwähnt, dass die Theorie nur eine relativ kleine Materie-Produktionsrate von gerade mal 2 Wasserstoffatomen pro Kubikmeter Raum und pro Milliarde Jahre vorsieht und notwendig macht. Wenn die Urknalltheorie nicht nur ungestraft, sondern sogar gefeiert die Produktion des gesamten Universums im Bruchteil einer Sekunde behaupten kann, fällt dagegen die von der Steady-State-Theorie propagierte Materie-Produktion extrem bescheiden aus und könnte zur Not schon durch die Quantenunbestimmtheit abgedeckt werden.

Dass die Urknall-Theorie sich trotzdem so überlegen zeigen konnte, lag nicht ganz zuletzt sogar an der katholischen Kirche. Diese hatte sich demonstrativ auf eine der beiden Seiten geschlagen. Zur Eröffnung einer wissenschaftlichen Konferenz im Vatikan (die gibt es tatsächlich von Zeit zu Zeit) beeilte sich Papst Pius XII. 1952, der Wissenschaft zu versichern, ein Universum mit einem Anfang sei durchaus nicht im Widerspruch zur christlichen Lehre. Dieser plötzliche Hang des Vatikans zum wissenschaftlichen Fortschritt ist verständlich. Denn wenn das Universum irgendwann einen Anfang genommen hat, dann war genau da auch hervorragend Platz für einen Schöpfer, der das Ganze in Gang gesetzt haben konnte. Der jahrhundertealten Merkwürdigkeit, der Schöpfer habe das Kunststück vollbracht, etwas geschaffen zu haben, was schon immer existierte, wäre so endlich ein Ende gesetzt – und das vor einem wissenschaftlichen Hintergrund. Etwas Besseres konnte der Kirche kaum widerfahren, zumal sich mit der Rolle des Schöpfers bestens die immer spannender werdenden Fragen beantworten ließen, was denn war, bevor das Universum seine Existenz begann und warum es überhaupt geschah.

Noch aber hatte die Wissenschaft einiges zu leisten, um aus der etwas spontanen Vorstellung des aus einem Anfangsstadium heraus expandierenden Universums eine wohlbegründete und durch Fakten bewiesene Theorie zu machen. Auf diesem Weg taumelte die Wissenschaft schon bald von einem Erfolg in den übernächsten und stand reichlich oft nach Auswegen suchend vor den Ungereimtheiten ihrer Gedankengebäude, die ihnen noch kurz zuvor als prunkvolle Paläste der letzten Weisheit erschienen waren und die, kaum errichtet, angesichts der offenen und neuen Fragen mehr recht schwankenden Kartenhäuser ähnelten.

Nicht immer haben die Astronomen bei der Wahl ihrer Begriffe eine glückliche Hand. Das ist ja auch schwer, da Begriffe sich nun mal nicht aus der Natur, sondern aus den Vorstellungen ergeben und aus ihnen Sinn und Inhalt beziehen. Der Begriff ‚Milchstraße’ ist ihnen vielleicht nicht unbedingt anzulasten. Aber dass sie einen sterbenden Stern, der sein strahlendes Dasein in einer gewaltigen Explosion beendet, als Nova oder gar Super-Nova bezeichnen, ist zwar historisch erklärbar, aber logisch natürlich Unsinn.

Ein ebensolcher Missgriff unterlief den Wissenschaftlern mit dem viel strapazierten Begriff ‚Urknall’ oder auch ‚Big Bang’. Schon die Entstehung des Begriffes ist bezeichnend. Erfunden wurde er ausgerechnet von Fred Hoyle, der ihn in einem Radiointerview beiläufig benutzte, als er sich über die Vorstellung lustig machte, das Universum habe seine Existenz mit einer Explosion begonnen. Um so erstaunlich-kennzeichnend, wie ein eher sarkastisch gemeinter Begriff, ein Witz, so dauerhaft Eingang in den wissenschaftlichen Sprachgebrauch gefunden hat. Aber der Begriff wie der Vorgang werden uns seit Jahren von der Wissenschaft in einem Maße eingehämmert, wie kaum etwas Vergleichbares aus dem Bereich der Kosmologie.

Wir alle haben uns daher längst mit den Aussagen der Wissenschaft über Urknall und Expansion, über einen Anfang des Universums vor 10 bis 20 Milliarden Jahren, über die ursprüngliche Konzentration des gesamten energetischen Inhalts des Universums auf extrem kleinen Raum oder die Entstehung des Ganzen aus dem Nichts heraus und dem bis heute andauernden Expansionsprozess abgefunden. Die aktuelle Wissenschaft erklärt das definitiv zu Fakten, die so hinreichend bewiesen sein sollen, dass sie keiner weiteren Überprüfung mehr bedürften. Tatsächlich fand ich diese für die Wissenschaft höchst merkwürdige Aussage in einem von einem Wissenschaftler verfassten Buch. Das macht misstrauisch. Es gibt keine einzige wissenschaftliche Aussage, die keiner Überprüfung mehr bedarf, weil keine einzige als endgültig angesehen werden kann – das sollten auch Wissenschaftler wissen.

Jedenfalls haben sich die Kosmologen mehrheitlich von der Vorstellung eines räumlich und zeitlich unendlichen Universums verabschiedet. Wir haben es nun also mit einem Universum zu tun, das einen Anfang hatte, eine Entwicklung nimmt, zu jedem beliebigen Zeitpunkt einen bestimmten Entwicklungsstand und ein jeweils bestimmtes Alter erreicht hat, also endlich und dynamisch ist. Zu Beginn des Prozesses müssen extremste Verhältnisse geherrscht haben, vor allem unvorstellbare hohe Temperatur, extreme Drücke und eine völlig entartete, d.h. mit den heute beobachtbaren Zuständen in nichts vergleichbare Materie. Wie war es dem Universum möglich, die gewaltigen Gravitationskräfte, die infolge der Konzentration der gesamten Materie auf kleinstem Raum geherrscht haben müssen, zu überwinden und statt im Nichts des größten denkbaren Gravitationskollapses zu verschwinden, sich aufzumachen zu einem lang andauernden Prozess der Expansion? Wie muss man sich den Beginn des ganzen Prozesses vorstellen?

Es ist klar, dass das, was da am Anfang stattgefunden haben soll, nichts mit einem Knall, also mit akustischen Erscheinungen zu tun hat. Aber auch von einer Explosion kann nicht die Rede sein. Wer immer wann immer die Entstehungsphase des Universums mit einer Explosion zu erklären versucht, benutzt mindestens einen unglücklichen Vergleich, eigentlich aber interpretiert er den Vorgang völlig falsch. Eine Explosion setzt stets Druckgradienten voraus, sie besteht ja gerade darin, dass Druckunterschiede zwischen ‚innen’ und ‚außen’ schlagartig, mindestens aber sehr schnell, ausgeglichen werden. Wenn aber die gesamte Materie des Universums ursprünglich in einem sehr kleinen Raum konzentriert war, dann bestand das ganze Universum zu diesem Zeitpunkt auch nur aus diesem Raum. Da gab es überhaupt kein außen. Was sollte denn als außerhalb des Universums gelten.

"Den Urknall stellt man sich oft als eine Explosion vor. Dies kann sehr irreführend sein. Eine Explosion ereignet sich an einem Punkt im Raum, wogegen der Urknall den ganzen Raum umfasst. Bei einer Explosion wird Gas von einem Druckgefälle nach außen gedrückt und es besteht ein großer Druckunterschied zwischen dem Mittelpunkt der Explosion und dem Rand des expandierenden Gases. Im Universum gibt es kein Druckgefälle, weil der Druck überall der gleiche ist. Da gibt es keinen Mittelpunkt und da gibt es keinen Rand. Der Ausdruck ‚explodierender Urknall’, obgleich anschaulich, führt zu einer falschen Vorstellung und sollte vermieden werden."

(Edward Harrison; zitiert in Stratis Karamanolis; So entstand das Universum; Elektra Verlags-GmbH; 1990; S.56)

Der Begriff Urknall hat sich trotzdem durchgesetzt. Er ist schön kurz und anschaulich und wir mögen es halt, wenn es richtig bumst und knallt. Ein Urknall als Beginn von allem, das ist irgendwie selbsterklärend, wenn es um das Universum geht. So etwas Gigantisches kann doch nur mit einer großen Explosion in die Existenz gekommen sein. Da wollen wir doch nicht kleinlich sein und am Wort herum interpretieren – oder?

Am Anfang war ...

Die Fragen, die die Wissenschaft schon bald mit einiger berechtigter Hoffnung auf Antwort an das Universum richten konnte, erreichte eine völlig neue Qualität. Was bis dato wegen der Überzeugung vom unendlichen Charakter des Universums nicht gefragt werden musste oder wegen der Aussichtslosigkeit nicht zu fragen gewagt wurde, war jetzt aktuell geworden: Wie hatte das alles begonnen? Gamow hatte sich schon darin versucht, eine Antwort zu geben. Die nächste Antwort kam auch nicht von jenen Wissenschaftlern, die sich mit dem ganz Großen beschäftigten, sondern von jenen, die dem Allerkleinsten auf der Spur waren. Zum ersten Mal in der Geschichte des wissenschaftlichen Denkens schien die Physik fähig zu sein, so etwas wie eine Beschreibung des Universums als Ganzes zu geben. Nicht nur die Fragestellung und die Möglichkeit einer glaubwürdigen, da wissenschaftlich begründeten Antwort war ein revolutionärer Sprung in eine neue geistige Dimension, die Art der Antwort und ihr Inhalt war es ebenso.

Die Teilchenphysiker konnten schon bald akribisch beschreiben, was da in den ersten Sekundenbruchteilen und folgend im Universum geschah. Die Antwort begann freilich zunächst mit einer Nichtantwort, nämlich mit der Erklärung, keine Antwort geben zu können. Wie das?

Der absolute Anfang von allem wurde in eine Singularität verlagert. Eine Singularität ist mathematisch jener Bereich einer Kurve, in dem die zu Grunde liegende Formel keine eindeutigen Ergebnisse liefert. Der Begriff ist zwar unanschaulich, da er in keiner Weise durch physikalische Zustände oder Vorgänge beschreibbar ist (jedenfalls z. Zt. nicht), aber er soll auch nur einfach den Beginn bezeichnen, jenen Augenblick, da die Expansion des Universums begann.

Eigentlich sind Physiker über das Auftreten von Singularitäten nicht sehr glücklich. Wenn sie bei einer Theorie an eine Singularität geraten, zeigen sie damit an, dass die Theorie als Erklärung der Natur nicht viel taugt und sie, die Physiker “mit ihrem Latein am Ende” sind. Denn physikalisch ist eine Singularität ein Stadium, in dem keines der uns bekannten Naturgesetze Gültigkeit hat; ein Stadium also, das sich mit den uns vertrauten Begriffen wie Zeit, Raum und Materie nicht beschreiben lässt, weil in diesem Stadium Dinge, die diesen Begriffen entsprechen, nicht existierten. Mit einer Theorie, die Prozesse in Raum, Zeit und Materie erklären soll, in eine Singularität zu geraten, ist den Physikern in aller Regel nicht recht. Sie tun dann vieles, um sie zu umgehen oder ganz zu vermeiden.

In Bezug auf den absoluten Beginn von allem ist die Singularität den Physikern allerdings einerseits recht willkommen. Er lässt den Rückzug auf eine natürliche Unerklärlichkeit zu. Eine Singularität ist halt nicht näher zu erklären und zu begründen. Das ist ihr Charakter und fertig. Andererseits bleibt trotzdem Unbehagen. Der Rückzug in die Singularität bietet eben sehr direkt eine Plattform für einen Schöpfungsakt. Wenn es für den Anfang des Universum in einer Singularität keine natürliche Verursachung gibt, dann muss es eine übernatürliche sein. Das war den meisten Physikern auch nicht sehr recht, denn so waren sie eigentlich nicht angetreten.

So oder so oder noch anders: Die Singularität ist das exotischste Gebilde, das wir uns denken können. Wir können es uns denken und müssen das möglicherweise auch, wenn unsere Vorstellungen von der Endlichkeit des Universums vollständig sein sollen, aber wir können die Singularität nicht beschreiben. Wir können sie nicht deshalb nicht beschreiben, weil wir noch zu wenig über sie wissen, sondern weil wir objektiv darüber nichts wissen können.

Das ändert sich genau 5,39 * 10-44 Sekunden nach der Sekunde Null. Wie eine so unwirklich genaue Zeitangabe möglich ist? Durch Max Planck (1858-1947). Die Rolle, die seiner Konstanten h in der Natur zukommt, führte zu der Schlussfolgerung, dass man daraus auch für die Länge, die Zeit und die Masse eine Art Grundquantelung ableiten konnte, also Mindestgrößen, die nicht mehr weiter unterschreitbar sind. Für die Zeit wurde eben diese Primärquantelung von 10-44 Sekunden errechnet. Die Wissenschaftler

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