Beim Aufräumen meiner alten Astronomieordner fand ich folgenden Zeitungsartikel aus dem Jahre 1967:
Frankfurter Allgemeine Zeitung, 15.11.1967
Ungelöstes Rätsel Kosmos
Fortschritte der Astronomie – neue Fragen / Spekulationen über das Weltall
Vor etwa zwei Jahrzehnten ist die astronomische Forschung in eine neue Epoche eingetreten. Mit der Radioastronomie hat sich erstmals in der Geschichte der Menschheit eine neue Tür zum Universum geöffnet, nachdem bis dahin allein die Lichtstrahlen den Zugang zur Welt außerhalb der Erde dargestellt hatten. Gerade seit zehn Jahren, seit dem Beginn der Raumfahrt, können erstmals auch Messungen, im Weltraum selbst vorgenommen werden. Damit sind aber auch ganz neuartige Forschungsobjekte zugänglich geworden, wie die "Röntgenstrahlungsquellen", deren Strahlung die Erdatmosphäre ja nicht durchdringen kann. Vor drei Jahrzehnten schließlich war die Kernphysik und das Verständnis der Vorgänge im Innern von Atomkernen, so weit gediehen, daß erstmals fundierte Vorstellungen über die Energieprozesse und über den Energiehaushalt der Fixsterne und ebenso über den allmählichen Aufbau der schwereren Elemente aus Wasserstoffkernen in ihnen entwickelt werden konnten. Diese Vorstellungen verdanken wir vor allem den Physikern Hans Bethe, der dafür jetzt mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, und Carl Friedrich von Weizsäcker.
In den Naturwissenschaften ist es allerdings oft genug so, daß eine Fülle neuer Ergebnisse die Situationen keineswegs klärt, sondern nur noch rätselhafter macht. Und das gilt auch für die Erkenntnisse der Astronomie in der jüngsten Vergangenheit, wobei die Entdeckung der Quasare, der, quasistellaren Radioquellen und der quasistellaren Galaxien eine Schlüsselstellung einnimmt. Auch die Spekulation über das Universum und seine Entwicklung, der wir eine stattliche Anzahl von "Weltmodellen" verdanken, ist nicht weiter gediehen. Die Situation ist noch undurchsichtiger geworden. Die Astronomen und die Kosmologen hoffen deshalb unentwegt auf neue Beobachtungen, die die eine oder die andere ihrer Überlegungen bestätigen sollen. Das spekulative Denken, das Extrapolieren von (wenigen) bekannten Tatsachen auf den gesamten Zusammenhang ist Wesensbestandteil des naturwissenschaftlichen Denkens, so exakt es sein oder sich geben mag. Phantasie ist auch für die exakte Naturwissenschaft eine unerläßliche Tugend – aber auch ein Laster. Nirgends wird so hemmungslos spekuliert wie gerade in der Kosmologie, auch dann noch, wenn eine Dosis Kritik oder neue Fakten den gar zu wilden Spekulationen sehr wohl den Garaus machen könnten.
Keine Abnahme der Schwerkraft
Eine der prinzipiellen Voraussetzungen allen naturwissenschaftlichen Denkens ist die von der "Universalität der Naturgesetze", das heißt, die Annahme, daß die gleichen Naturgesetze immer und überall auf der Erde wie im Weltall gelten. Ohne diese Voraussetzung wäre es sinnlos, Aussagen über Zustände im Weltraum und auf anderen Sternen machen zu wollen. Das bedeutet zugleich, daß die Naturgesetze unveränderlich sein müssen, und damit letzten Endes auch, daß die "Naturkonstanten" unveränderlich sind. Selbstverständlich kann man auch dieses Prinzip in Frage stellen. Und gerade das hat der große englische Physiker Paul Dirac, Mitbegründer der modernen Atomphysik, getan, indem er 1937 den Gedanken in die wissenschaftliche Diskussion warf, daß alle sehr großen reinen Zahlen, die der Physik entnommen sind, nicht konstant seien, sondern veränderliche, die von gegebenen Zuständen des Weltalls, besonders dessen Alter, abhängen. Das gilt unter anderem auch für die Verhältniszahl von Schwerkraft zu elektrostatischer Anziehung, die sehr groß ist (rund 1039). Diese Annahme schließt die Konsequenz ein, daß die Gravitationskonstante direkt proportional dem Weltalter abnimmt. Überlegungen wie diese sind als Denkmodelle selbstverständlich durchaus berechtigt, die Frage ist nur, ob sie der physikalischen Wirklichkeit entsprechen.
Die These von der Abnahme der Gravitationskonstanten mit der Zeit ist schon 1948 von dem amerikanischen Physiker Edward Teller, einem der Väter der Wasserstoffbombe, widerlegt worden. Teller wies darauf hin, daß die Leuchtkraft der Sonne auch von der Schwerkraft gesetzmäßig abhängt. Dar aus folge aber, daß, wenn in früheren Stadien der Welt die Gravitationskonstante größer war, auch die Sonne viel heißer und heller gewesen sein muß als jetzt. Aus der Diracschen Annahme läßt sich berechnen, daß ihre Strahlung noch im Kambrium, also vor über 500 Millionen Jahren, so stark gewesen sein müßte, daß auf der Erdoberfläche Temperaturen von über 100 Grad herrschten und damit kein flüssiges Wasser, sondern nur Dampf und demzufolge auch keine Meere existieren konnten. Da es aber eine feststehende Tatsache ist, daß im Kambrium und auch schon viel früher Meere bestanden, was die Versteinerungen hinreichend beweisen, kann die Diracsche Annahme nicht zutreffen.
Trotzdem wird Diracs These immer wieder aus der Versenkung hervorgeholt. Und das ist wohl auch der Grund, daß jetzt der bekannte amerikanische Physiker George Gamow von der Universität von Colorado in einer Zuschrift an die "Umschau in Wissenschaft und Technik" (November 1967) sich erneut damit auseinandersetzt.
Zunächst weist Gamow darauf hin, daß Teller sich auf das damals angenommene Weltalter von zwei bis drei Milliarden Jahren stützte. Tatsächlich wissen wir jetzt, daß das Sonnensystem mindestens fünf Milliarden und das Weltall mindestens zehn Milliarden Jahre alt ist. Daraus würde folgen, daß die 100-Grad-Temperatur-Grenze auf der Erde zwar für einen früheren Zustand der Erde galt. Da uns aber bekannt ist, daß flüssiges Wasser und auch Leben schon seit etwa vier Milliarden Jahren existieren, ändert sich an der Unvereinbarkeit dieser Tatsache mit der Diracschen These nichts.
Gamow bringt aber zu der paläontologischen Widerlegung eine kosmologische. Er sagt: "Errechnen wir nämlich die ganze Atomenergie, die der jungen Sonne zur Verfügung stehen konnte, und nehmen wir an, daß die Sonne in der Vergangenheit viel heller war, dann finden wir, daß die Sonne nicht viel länger als drei Milliarden Jahre existieren könnte. Das steht natürlich in direktem Widerspruch mit der festen Tatsache, daß die Planetensysteme schon zwischen vier und fünf Milliarden Jahre existierten. Und es kann ja wirklich nicht möglich sein, daß die Planeten für die ersten drei Milliarden Jahre ohne die Sonne existierten.
Das Alter des Universums
Über das wirkliche Alter des Universums können wir tatsächlich immer noch keine zuverlässigen Aussagen machen. Das Alter, das jetzt mit zehn bis fünfzehn Milliarden Jahren angegeben wird, gilt bestenfalls für "unser" gegenwärtiges Universum, das heißt – wenn man von einer "Urexplosion" als Beginn einer Expansion des Weltalls ausgeht – für die seitdem vergangene Zeit. Ganz abgesehen davon, daß dieser "Urknall" äußerst unwahrscheinlich ist, muß die Frage eines Alters der Welt vor dem "Urknall" oder vor der Expansion – es gibt ja auch eine Hypothese von einem oszillierenden Weltall, in dem also Expansions- und Kontraktionsphasen abwechseln – sowieso offenbleiben. Physikalisch ist es "irrelevant", weil sich darüber mit physikalischen Mitteln naturgemäß nichts feststellen läßt. Schließlich sind auch schon Fixsterne aufgefunden worden, die nach ihrem Wasserstoffverbrauch – als Quelle ihrer durch Kernverschmelzung zu Helium erzeugten Strahlungsenergie – über 20 Milliarden Jahre alt sein müßten.
Nach Ausweis der Rotverschiebung der Spektrallinien im Spektrum des Quasars 3 C 9, einer quasistellaren Strahlungsquelle, befindet sich diese, wenn man ihre Rotverschiebung als Dopplereffekt deutet, in knapp acht Milliarden Lichtjahren Entfernung vom Sonnensystem, von dem sie sich mit 180 000 km in der Sekunde entfernt (nach Maarten Schmidt und Alan Sandage/Pasadena). Diese Entfernung ergibt sich aus der Hubble-Beziehung, welche besagt, daß die Fluchtgeschwingkeit der "Sternennebel" im Weltall um etwa 25 km/sec pro Million Lichtjahre Entfernung zunimmt. (Eine Galaxis in 10 Millionen Lichtjahren Abstand wird sich also mit 250 km/sec vom Sonnensystem entfernen; ist sie 50 Millionen Lichtjahre entfernt, dann ihre Fluchtgeschwindigkeit 1250 km/sec.) Das Licht, daß wir heute mit unseren Riesenteleskopen von 3 C 9 auffangen, wäre demnach tatsächlich bereits vor acht Milliarden Jahren emittiert worden, und die Strahlungsquelle selbst ist inzwischen um acht Milliarden älter geworden, also jetzt 16 Milliarden Jahre alt.
Absurditäten der "Urknall-These"
Hinsichtlich der Konsequenzen dieser Beobachtungen für den "Urknall" sei zunächst ein "Weltmodell" zugrunde gelegt, dem die Expansion langsam, das heißt mit kosmisch relativ kleinen Geschwindigkeiten, begann und sich dann immer mehr steigerte. Geht man von der Entfernung von rund acht Milliarden Lichtjahren für 3 C 9 aus, dann ergibt sich, daß dieses Gebilde seit der "Urexplosion" mit einer mittleren Geschwindigkeit von rund 100 000 km pro Sekunde (ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit) vom Explosionsort weggeflogen sein muß. In acht Milliarden Jahren hätte es also einen Weg von knapp drei Milliarden Lichtjahren zurückgelegt. Daraus folgt ein Durchmesser des "Urkörpers", in dem nach der Theorie ein- mal alle Materie der Welt konzentriert gewesen sein soll, von knapp fünf Milliarden Lichtjahren. Das ist bei der uns bekannten außerordentlich geringen durchschnittlichen Materiedichte im Weltall, das heißt bei der Gesamtmasse der Materie in dem unserer Beobachtung zugänglichen Weltraum, völlig ausgeschlossen.
Geht man dagegen davon aus – und auch dieses Weltmodell ist entworfen worden –, daß alle kosmischen Gebilde bereits im Augenblick der Urexplosion ihre jetzt beobachtete Geschwindigkeit mitbekommen haben, dann setzt das Prozesse voraus, die jeder physikalischen Erfahrung widersprechen. Dann müßten Materiemassen von der Größe unseres Milchstraßensystems mit rund 100 Milliarden Fixsternen und vielleicht einer ebenso großen Menge interstellarer Materie explosiv bis zu Geschwindigkeiten von zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt worden sein; und das in vielen Millionen Fällen. Wollte man aber die Expansion als eine neue selbständige physikalische Eigenschaft des Raumes interpretieren, so widerspräche auch das aller bisherigen physikalischen Erkenntnis.
Die Deutung der extrem starken Rotverschiebung der Quasare als Folge einer Fluchtbewegung wird neuerdings jedoch stark angezweifelt. Ein Teil der Fachleute neigt immer mehr dazu, sie als relativistischen Effekt, nämlich der Gravitationswirkung großer Massen auf das Licht, das von dem Quasar abgestrahlt wird, zu interpretieren, Nimmt man diese Erklärung an, dann müssen die Vorstellungen über die außerordentlich großen Entfernungen und Fluchtgeschwindigkeiten der Quasare fallengelassen werden.
Auch wenn die Quasare als fernste Meilensteine des Weltalls ausfallen sollten, bleiben, als im wesentlichen gesicherte Entfernungen, immer noch die Distanzen verschiedener Spiralnebelhaufen, die sich aus dem Verhältnis von absoluter Leuchtkraft zu der beobachteten scheinbaren Helligkeit ergeben. Beispielsweise wären das für den Spiralnebelhaufen in der Hydra rund zwei Milliarden Lichtjahre. Bei der an dieser beobachteten Rotverschiebung- Fluchtgeschwindigkeit von 50 000 bis 60 000 km/sec ergäbe sich für den Durchmesser des "Ursterns" mit der gesamten Materie des Universums im Augenblick der Urexplosion – nach dem erwähnten "Weltmodell" – immer noch ein Durchmesser von fast zwei Milliarden Lichtjahren. Das ist ebenso unmöglich, wie der vom Quasar 3 C 9 abgeleitete, Fünf-Milliarden-Lichtjahre-Durchmesser des "Ursterns."
Sorgenkinder Quasare
Daß die mittleren Massendichten der Quasare nach den bisherigen Vorstellungen extrem hoch sind, haben erst kürzlich Messungen erneut bestätigt, über die Clark, Cohen und Jauncey im Astrophysical Journal berichten. Sie benutzten für die interferometrische Messung des Durchmessers des Quasars 3 C 273 B, der nach seiner Rotverschiebung etwa zwei Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist, zwei Radioteleskope in 3500 km Abstand, das eine an der Ostküste, das andere an der Westküste der Vereinigten Staaten. Die Bandaufnahmen ihrer gleichzeitig aufgefangenen Ultrakurzwellenstrahlung wurden exakt synchronisiert und über- lagert. Aus den dabei festgestellten Welleninterferenzen ergab sich, daß der Quasar nur 0,05 Bogensekunden Durchmesser hat, rund ein Viertel von dem, was man bis dahin angenommen hatte. Wenn dieses Gebilde sich wirklich in 1,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung befindet, folgt daraus, daß es einen Durchmesser von kaum zehn Lichtjahren hat, daß es aber dabei eine Energie abstrahlt, die der von 1000 normalen Galaxien, wie etwa der unseren mit 100 000 Lichtjahren Durchmesser, entspricht. Ob eine derartig dichte Materieansammlung in einem galaktischen System überhaupt möglich ist oder ob die Quasare in Wirklichkeit viel näher liegende Objekte sind, läßt sich zur Zeit noch nicht entscheiden. Zweifellos sind es die rätselhaftesten Gebilde am Sternenhimmel, die die Astronomie bisher entdeckt hat. Das wirkt sich auch auf einen anderen Gebiet aus: Vielleicht zwingen sie uns, unsere Vorstellungen über den allmählichen Aufbau der schwereren Elemente aus Wasserstoff und der Entwicklung der Galaxien zugunsten einer ganz anderen, kurzfristigen Entstehung aufzugeben.
Vorläufig können wir über die Welt als Ganzes kaum etwas Gesichertes aussagen. Alles, was es darüber gibt, ist mehr oder minder ungenügend fundierte Spekulation. Auch das Modell des "gekrümmten" Weltraums ist vorläufig nicht mehr. Er ist theoretisch möglich, aber für seine wirkliche Existenz gibt es bisher noch keinerlei Beweis. Ebensogut – und bisher noch nicht widerlegt – ist es denkbar, daß die euklidische Geometrie den Weltraum beherrscht, daß der Weltraum unendlich ausgedehnt und nicht gekrümmt ist, keinen Anfang und kein Ende hat. Sie könnte eine Stütze in der von Zwicky gemachten Beobachtung finden, daß es entgegen der nach den Naturgesetzen (Gravitations- und Boltzmannsche Gesetz) zu erwartenden Existenz von Haufen von Galaxienhaufen im Weltall derartige Materieansammlungen nicht gibt. Zwicky leitet daraus ab, daß sich die Schwerkraft offenbar nicht unbegrenzt ausbreite und daß bei Entfernungen über Hunderte von Millionen Lichtjahren die Gravitationsanziehung völlig aufhöre.
Fragen der Rotverschiebung
Der Beobachtungsbefund, der einem derartigen "statischen" Weltall widerspricht, ist die "Rotverschiebung" im Licht der Spiralnebel. Ob diese wirklich Ausdruck einer Fluchtbewegung ist, als welche sie in Ermangelung einer anderen überzeugenden Deutung gilt, wird auch von Astronomen immer wieder in Zweifel gezogen. Denn gerade sie führt letzten Endes zu physikalischen Absurditäten, wie denen eines Ursternes von zwei oder mehreren Milliarden Lichtjahren Durchmesser, oder zu der Konsequenz, daß schließlich Galaxien fast mit Lichtgeschwindigkeit fortfliegen müßten.
Das "Steady State Universum" des englischen Kosmologen Fred Hoyle, der damit diesen Verlegenheiten ausweichen will, enthält solche Unmöglichkeiten. Sein Universum setzt die ständige Entstehung neuer Materie (Wasserstoff) als Kompensation der Expansion des Weltalls voraus, um dessen homogen Materiefüllung zu erklären. Nach der gesicherten Einsteinschen Beziehung zwischen Energie und Materie (E = mc2) ist die Entstehung von Materie in einem praktisch energiefreien, fast absoluten Vakuum undenkbar. Dieses Weltmodell ist deshalb von den meisten Kosmologen und Astronomen schon wieder auf- gegeben worden.
Die Vorstellung, daß die Welt als Ganzes, Raum, Zeit und Materie, endlich sei, einen Anfang und ein Ende haben müsse, entspricht wohl dem physikalischen Denken, nämlich dem Denken in geschlossenen Systemen mit einem definierten Anfangszustand, gesetzmäßigen Veränderungen und wieder einem definierten Endzustand, aber nicht einer "Naturnotwendigkeit". Die Kantsche Antinomie über Raum und Zeit gilt heute noch: Wir können uns weder vorstellen, darf die Welt einen Anfang und Grenzen habe, noch das Gegenteil. Vorläufig müssen wir uns mit dem "ignorabimus" bescheiden. Da die exakte Naturforschung wenig älter als drei Jahrhunderte ist und mindestens noch einige Jahrtausende vor ihr liegen, bleibt noch abzuwarten, wie weit das "ignorabimus" in der Kosmologie unser Schicksal sein wird.
K. RUDZINSKI
