Hintergrundinformationen

Damit in den Sternen Kohlenstoff, die Grundlage des Lebens, entstehen kann, spielt eine bestimmte Form des Kohlenstoffkerns eine entscheidende Rolle. Physiker der Universität Bonn und der Ruhr-Universität Bochum haben jetzt gemeinsam mit US-Kollegen diesen legendären Kohlenstoffkern berechnet. Damit haben sie ein Problem gelöst, das die Wissenschaft seit mehr als 50 Jahren vor Rätsel gestellt hat.

„Seit 1954 hat man vergeblich versucht, den Hoyle-Zustand zu berechnen“, berichtet Professor Dr. Ulf-G. Meißner (Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn), „und wir haben es jetzt geschafft!“ Der Hoyle-Zustand ist eine energiereiche Form des Kohlenstoffkerns. Er ist der Bergpass, über den man von einem Tal ins andere gelangt: von drei Kernen des Gases Helium zum sehr viel größeren Kohlenstoffkern. Diese Verschmelzungsreaktion findet im heißen Inneren schwerer Sterne statt. Gäbe es den Hoyle-Zustand nicht, hätten im Weltall nur sehr wenig Kohlenstoff oder andere höhere Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff und Eisen entstehen können. Ohne diese Art von Kohlenstoffkern wäre daher vermutlich auch kein Leben möglich gewesen.

Die Suche nach dem „Nebensender“

Bereits im Jahr 1954 hat man den Hoyle-Zustand experimentell nachgewiesen, aber seine Berechnung scheiterte stets. Denn diese Form des Kohlenstoffs besteht lediglich aus drei sehr lose gebundenen Heliumkernen − ein eher wolkiger diffuser Kohlenstoffkern. Und er liegt nicht einzeln vor, sondern stets zusammen mit anderen Formen von Kohlenstoff. „Das ist, wie wenn sie ein Radiosignal untersuchen wollen, bei dem ein Hauptsender und mehrere schwächere Sender überlagert sind“, erläutert Prof. Dr. Evgeny Epelbaum (Institut fuer Theoretische Physik II der Ruhr-Universität Bochum). Der Hauptsender ist der stabile Kohlenstoffkern, aus dem unter anderem auch der Mensch aufgebaut ist. „Wir interessieren uns aber für einen der instabilen, energiereichen Kohlenstoffkernen, also müssen wir irgendwie mit einem Rauschfilter den schwächeren Radiosender von dem dominierenden Signal abtrennen.“

Möglich wurde das mit einer neuen, besseren Rechenmethode der Forscher, welche die Kräfte zwischen mehreren Kernbausteinen präziser als zuvor berechnet. Mit JUGENE, dem Supercomputer am Forschungszentrum Jülich, stand auch das passende Werkzeug parat. Eine knappe Woche hat JUGENE gerechnet. Das Rechenergebnis stimmt so gut mit den experimentellen Daten überein, dass die Forscher sicher sein können, den Hoyle-Zustand tatsächlich von Grund auf berechnet zu haben.

Mehr über die Entstehung des Universums

„Jetzt können wir diese spannende und wichtige Form von Kohlenstoffkern ganz genau untersuchen“, erläutert Prof. Meißner. „Wir werden schauen, wie groß er ist und wie er aufgebaut ist. Und damit können wir jetzt auch die gesamte Kette der Elemententstehung unter die Lupe nehmen.“

Sogar philosophische Fragen sind in Zukunft vermutlich wissenschaftlich zu beantworten. Seit Jahrzehnten gilt der Hoyle-Zustand als Paradebeispiel für die Theorie, dass die Naturkonstanten bei der Entstehung unseres Universums genauso und nicht anders aufeinander abgestimmt sein mussten, da wir sonst nicht hier wären, um das Universum zu beobachten (Anthropisches Prinzip). „Für den Hoyle-Zustand heißt das: Er muss genau diese Energie haben, die er hat, weil es uns sonst nicht gäbe“, sagt Prof. Meißner. „Wir können jetzt berechnen, ob in einer veränderten Welt mit anderen Parametern der Hoyle-Zustand im Vergleich zur Masse von drei Heliumkernen tatsächlich eine andere Energie hätte.“ Wenn dem so ist, spräche das für das anthropische Prinzip. (Quelle: idw)

Einstein hat unser Verständnis des Universums revolutioniert – doch bis heute sind zentrale Fragen der Gravitationsphysik unbeantwortet geblieben. Die Bewegungsgeschwindigkeit von Sternen rund um das Galaxienzentrum lässt sich bis heute nicht zufriedenstellend erklären. Die Existenz von unsichtbarer „dunkler Materie“ wurde angenommen, um solche Phänomene beschreiben zu können.

Am Institut für Theoretische Physik der TU Wien beschäftigt sich Daniel Grumiller mit der Theorie der Gravitation. Seine Berechnungen zeigen, dass eine Erweiterung der Relativitätstheorie bisher offene Fragen beantworten könnte. Könnte die Schwerkraft bei grossen Distanzen zusätzliche Anteile haben, die bisher unberücksichtigt geblieben sind? Auf der Suche danach ging Daniel Grumiller zurück zu den Grundlagen der Gravitationstheorie. Als Ausgangspunkt stellte er die Frage: „Welche Art von Formeln, mit denen man die Gravitation beschreiben könnte, ist mathematisch überhaupt erlaubt?“ Nur ganz bestimmte mathematische Ausdrücke lassen sich in die Physik der Gravitation einbauen, ohne Symmetrien zu verletzen, die wir im Universum vorfinden, oder unseren täglichen physikalischen Beobachtungen eindeutig zu widersprechen.

Die unbekannte Zusatz-Kraft

Daniel Grumiller vereinfachte die Gravitationstheorie, indem er zunächst kugelsymmetrische Fälle betrachtet – so lässt sich etwa das Gravitationsfeld eines Planeten, eines Sternes oder einer annähernd sphärischen Galaxie beschreiben. „Man kann dann mathematisch zeigen, aus welchen Beiträgen sich die Gravitationskraft zusammensetzen muss“, erklärt Grumiller. Manche Beiträge sind wohlbekannt: Die klassische Newtonsche Schwerkraft und eine Erweiterung dazu, die aus der Relativitätstheorie kommt – beides nimmt mit der Entfernung ab. Auch Einsteins „Kosmologische Konstante“, die bei extrem großen Distanzen eine Rolle spielt, taucht in Grumillers Gleichungen ganz automatisch auf. Zusätzlich aber findet man auch noch einen weiteren Beitrag zur Gravitation: Eine konstante Kraft, die zwischen zwei Objekten unabhängig von ihrer Entfernung wirkt – Grumiller nennt sie „Rindler-Kraft“, nach dem in Wien geborenen Gravitationsphysiker Wolfgang Rindler. Diese Kraft ist freilich so klein, dass man sie im täglichen Leben nicht beobachten kann. „Sie steht nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, sondern ist eine Erweiterung, die sich in das Gebäude der Relativitätstheorie nahtlos einfügt“, meint Grumiller.

Schneller als Einstein erlaubt

In einem ersten Versuch, die Größe dieser Zusatz-Kraft abzuschätzen, berechnete Grumiller die Rotationsgeschwindigkeit von Sternen rund um das Galaxiezentrum – denn bei galaktisch großen Entfernungen, bei denen die klassische Schwerkraft winzig klein wird, spielt die neugefundene Rindler-Kraft eine entscheidende Rolle. Und tatsächlich zeigte sich, dass Grumillers Formeln die erstaunlich großen Rotationsgeschwindigkeiten, die man beobachten kann, qualitativ viel besser beschreiben als bisherige Berechnungen. „Das ist ein Hinweis darauf, dass die Rindler-Kraft nicht nur mathematisch erlaubt ist, sondern tatsächlich in der Natur auftritt“, meint Daniel Grumiller.

Das Rätsel um die Pioneer-Sonde

Mit derselben Methode untersuchte Grumiller ein weiteres Rätsel der Gravitationsphysik: Die Pioneer-Anomalie. Schon seit Jahren beobachtet man, dass sich Raumsonden wie Pioneer 10 und Pioneer 11, die sich weit von Erde und Sonne entfernen, nicht exakt auf den Bahnen bewegen, die von der Relativitätstheorie vorausgesagt werden. „Auch diese Bahnen kann man beschreiben, wenn man eine kleine, konstante Zusatzkraft annimmt, die Richtung Sonne wirkt – wie die Rindler-Kraft“, erklärt Grumiller.

Trotz dieser bemerkenswerten Erfolge gibt es in diesem Forschungsprojekt freilich noch viel zu tun: „Es wird spannend sein, dieses vereinfachte Modell in voller Allgemeinheit in die vierdimensionale Relativitätstheorie einzubauen“, meint Grumiller, und erhofft sich davon ein besseres Verständnis dafür, was die Stärke der Rindler-Kraft bestimmt, und einen Einblick in die Frage, wie sie mit der „dunklen Materie“ zusammenhängt. Denn wie Grumiller betont bleibt sein Modell derzeit noch agnostisch in Bezug auf die Frage ob es „dunklen Materie“ gibt. (Quelle: Idw - Informationsdienst Wissenschaft; Bild: Massen (etwa Sterne und Planeten) krümmen die Raumzeit. Florian Aigner, TU Wien)

Der expandierende Kosmos scheint ein Grundgesetz der Physik zu verletzen.

Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden. Dieser Erhaltungssatz gilt Physikern als sakrosankt. Er beherrscht jeden Lebensbereich – das Aufwärmen einer Tasse Kaffee, die chemischen Reaktionen, mit denen Blätter Sauerstoff erzeugen, die Bahn der Erde um die Sonne und die Nahrung, die wir brauchen, damit unser Herz schlägt. Ohne Essen können wir nicht leben, das Auto fährt nicht ohne Kraftstoff, und Perpetuum mobiles sind pure Fiktion. Darum schöpfen wir mit Recht sofort Verdacht, wenn etwas den Energieerhaltungssatz zu verletzen scheint. Kommt so etwas überhaupt vor?

Scheinbar doch. Kehren wir einmal kurz der Erde den Rücken und wenden uns dem Weltall zu, schlägt die australische Astrophysikerin Tamara Davis vor. Fast alle Informationen über den fernen Weltraum gewinnen wir in Form von Licht, das auf seinem langen Weg von fernen Galaxien durch das expandierende Universum eine Rotverschiebung erfährt; die elektromagnetischen Wellen werden gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gestreckt. Doch wir wissen: Je größer die Wellenlänge, desto kleiner die Energie. Das wirft die Frage auf, wohin die Energie verschwindet, wenn das Licht durch die kosmische Expansion röter wird. Geht sie verloren – und verletzt damit das Erhaltungsprinzip?

Letztlich nein, beruhigt uns Tamara Davis in der November-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft. Auch hier auf der Erde finden ständig solche Verschiebungen statt. Angenommen, Sie fahren an einer Radarfalle vorbei, mit der die Polizei gern Temposünder überführt. Während Ihr Auto sich dem Gerät nähert, würden Ihnen die elektromagnetischen Radarwellen – wenn Sie sie sehen könnten – ein wenig gestaucht erscheinen; nachdem Sie das Gerät passiert haben, sähen die Wellen etwas gestreckt aus. Das ist der Dopplereffekt – das elektromagnetische Pendant zu dem bekannten akustischen Phänomen, dass sich die Tonhöhe einer Hupe beim Vorbeifahren zu ändern scheint. Das Polizeiradargerät ermittelt aus der Dopplerverschiebung der reflektierten Radarstrahlen Ihre Geschwindigkeit.

Dopplerverschiebung entsteht durch die Relativbewegung von Sender und Empfänger. Dabei verlieren oder gewinnen die Photonen keine Energie; sie sehen nur für den Empfänger anders aus als für den Sender. Doch die kosmologische Rotverschiebung hat nach gängiger Auffassung einen anderen Grund. Den Lehrbüchern zufolge wird sie dadurch verursacht, dass der Raum, durch den das Licht wandert, sich selbst ausdehnt wie ein aufgeblasener Luftballon.

Aber, hält Tamara Davis dagegen, in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist der Raum relativ; was wirklich zählt ist die Geschichte einer Galaxie – die Bahn, die sie in der Raumzeit beschreibt. Darum sollten wir, wenn wir die Relativgeschwindigkeit der fernen Galaxie in Bezug auf uns berechnen, deren Trajektorie in der Raumzeit und unsere vergleichen. Der Betrag der Rotverschiebung, den der irdische Beobachter an der Galaxie feststellt, erweist sich so gesehen nicht anders als die Dopplerverschiebung, die er an einem Auto sähe, das sich mit derselben Relativgeschwindigkeit entfernt.

Und genau wie im Fall der vorbeibewegten Hupe – wo uns nicht einfiele, dass der Schall Energie gewinnt oder verliert – bewirkt auch hier die Relativbewegung von Sender und Beobachter bloß, dass die Beiden die Photonen aus unterschiedlicher Perspektive sehen, und nicht, dass die Photonen unterwegs Energie verloren haben.

Letzten Endes umgibt kein Rätsel den Energieverlust der Photonen: Die Energien werden von Galaxien aus gemessen, die sich voneinander entfernen, und die Energieabnahme ist nur eine Frage des Standpunkts und der Relativbewegung.

Die Physiker können also beruhigt sein, das Universum hat kein Leck. Wenn sie zu klären versuchen, ob die Energie des ganzen Universums erhalten bleibt, stoßen sie vielmehr an eine fundamentale Grenze, denn sie können der Energie des Universums keinen eindeutigen Wert zuweisen. Darum verletzt das Universum den Energieerhaltungssatz nicht; vielmehr liegt es jenseits von dessen Geltungsbereich.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, November 2010

Mehr dazu:
1. Äquivalenz von Information und Energie: Auf der Suche nach den Grundbausteinen der Welt
2. Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Vor 2400 Jahren hielt der Philosoph Platon die Welt um uns her für eine Illusion. Wir würden wie die Gefangenen in seinem berühmten Höhlengleichnis nur die Schatten der wahren Welt sehen. Aber zu welchem Ergebnis kommt die moderne Quantenphysik?

Ist es die reale Welt, die wir sehen?

Als Erwin Schrödinger, einer der Väter der Quantenphysik, im Jahr 1926 die nach ihm benannte Wellengleichung aufstellte, änderte sich das Bild, das sich die Physiker von der Welt machten. Vorher funktionierte die Welt nach den herrschenden Modellvorstellungen ähnlich wie ein mechanisches Uhrwerk, nachher glich sie einem Meer, in dem der reine Zufall das Wasser zu Wellen formt.

Die Wellengleichung beschreibt Materie als Wellen. Wellen können sich neben anderen Eigenschaften auch überlagern. Das bedeutet, dass beispielsweise eine Katze, die durch eine Wellengleichung beschrieben wird, gleichzeitig tot und lebendig sein kann (bekannt als »Schrödingers Katze«). Eine Zombie-Katze, die halb tot und halb lebendig ist, erscheint als kein Wesen der Realität und so sah man zunächst die Wellengleichung als einen rein mathematischen Formalismus an, der nur dazu dienen sollte, Beobachtungsergebnisse über das Verhalten der kleinsten Bausteine unseres Universums, den Quanten, vorhersagen.

Gott würfelt nicht.

Die Vorhersagedaten für einzelne Atome, Moleküle, Elektronen oder Lichtteilchen waren zudem keine exakten Werte, sondern stellten nur die Wahrscheinlichkeit dar, ein bestimmtes Ergebnis zu erhalten. So, als wenn man vor dem Wurf einer Münze vorhersagen würde, dass diese mit 50 % Wahrscheinlichkeit auf der Zahlseite zum Liegen käme. Das tatsächliche Ergebnis ließ sich auf diese Weise nicht vorausberechnen. Das wirkte wie ein Schlag auf die Köpfe der Physiker. Sollte etwa der reine Zufall in die Physik Einzug halten? Dass es andererseits keinen Zweifel an der Richtigkeit der Vorhersagen der Schrödingergleichung gibt, beweist heutzutage die Existenz von Handys, DVD-Playern und Scannerkassen im Supermarkt. Denn ohne Schrödingers Wellengleichung gäbe es das alles nicht.

Der Ausspruch »Gott würfelt nicht!« wird Albert Einstein zugeschrieben. Er wollte es nicht wahrhaben, dass Wellen und der Zufall in der Welt des Kleinsten regieren und er wehrte sich vehement gegen die Vorstellung, den Wahrscheinlichkeitswellen in den Formeln der Quantenphysik eine physikalische Realität zuzugestehen. Genauso wie er, verneinten viele Physiker seiner Zeit die Existenz einer physikalischen Realität für Schrödingers Wahrscheinlichkeitswellen. Einzig den vorhergesagten Messwerten wurde Realität zugestanden.

Das Kriterium, das zwischen Realität und Illusion unterscheidet.

Um seine Sicht der Dinge abzusichern, stellte Einstein zusammen mit den Physikern Podolski und Rosen im Jahr 1935 ein Kriterium auf, mit dem entschieden werden kann, wann ein Element der physikalischen Realität existiert: das EPR-Realitätskriterium. Danach existiert sinngemäß dann ein Objekt der physikalischen Realität, wenn sich seine physikalischen Größen mit Sicherheit, also 100%-Wahrscheinlichkeit, voraussagen lassen, ohne das Objekt selbst manipulieren zu müssen. Beispielsweise kann die Astronomie die Stellung des Mondes am Nachthimmel mit Sicherheit voraussagen, ohne dass eine amerikanische Mondmission den Mond in die vorausgesagte Stellung schieben müsste. Deshalb ist der Mond nach dem EPR-Realitätskriterium ein Objekt der physikalischen Realität und nicht der Illusion oder sogar der Wahnvorstellung irrer Menschen.

Einstein war zweifellos gewitzt, als er das EPR-Kriterium zusammen mit seinen Physikerkollegen veröffentlichte, denn er wusste genau, dass Schrödingers Wellengleichung im Regelfall keine Wahrscheinlichkeitswerte von 100% für die zu messenden Elemente und Größen voraussagte. So konnte er beruhigt davon ausgehen, dass nach seinem Kriterium die in die Schrödingergleichung eingehenden Elemente keine physikalische Realität besäßen. Die uhrwerkartig funktionierende Welt sah er als gerettet an. Seiner Meinung nach war die quantenphysikalische Beschreibung unvollständig. Es sei nur nötig die »verborgenen Variablen« zu entdecken, welche vorhanden sein mussten. Er glaubte, die Welt sei durch diese verborgenen Variablen deterministisch gesteuert.

Ein Paradoxon beweist die Realität.

Einstein konnte aus dem Grund auch nicht glauben, dass es so etwas gäbe, was er als »Spukhafte Fernwirkung« abqualifizierte. Allein die Dinge entwickelten sich dramatischer, als er sich vorstellen konnte. Denn mithilfe bestimmter optischer Kristalle lassen sich heute sogenannte verschränkte Photonenpaare erzeugen, die auf eine unerklärliche Weise miteinander verbunden sind, auch wenn die Photonen in entgegengesetzte Richtungen abstrahlen und womöglich erst gemessen werden, nachdem sie makroskopische Distanzen zurückgelegt haben. Die Messung der Eigenschaft eines der Photonen führt dazu, dass das zweite Photon augenblicklich einen komplementären Zustand annimmt. Wenn beispielsweise bei einem der verschränkten Photonen zufällig eine waagrechte Polarisierung gemessen wird, dann nimmt das zweite viele Kilometer entfernte Photon augenblicklich eine senkrechte Polarisierung an, ohne dass sich die Photonen über lokale Signale miteinander verständigen könnten.

Das Verhalten verschränkter Photonen bedeutet, dass die Polarisierung des zweiten Photons mit Sicherheit (= 100% Wahrscheinlichkeit) vorhergesagt werden kann, nachdem das erste Photon gemessen wurde. Aufgrund des EPR-Realitätskriteriums existiert dann ein Objekt der physikalischen Realität, das dieser Polarisierung entspricht. Die Wahrscheinlichkeitswelle des zweiten Photons ist vor seiner Messung nicht nur eine mathematische Größe, sondern auch ein Objekt der physikalischen Realität. Es ist paradox, dass das EPR-Kriterium aufgestellt wurde, um zu zeigen, dass die Wahrscheinlichkeitswellen, die aus Schrödingers Gleichung folgen, keine physikalische Realität besitzen, aber die Anwendung des Kriteriums auf verschränkte Photonen genau das Gegenteil beweist (EPR-Paradoxon). So hat Einstein letztendlich dafür gesorgt, dass die Welt der Quantenphysik nicht nur eine Illusion ist, sondern die Realität. Wir »Normalsterbliche« haben das Ergebnis schon lange verinnerlicht, denn das Handy in der Tasche kann doch nicht Illusion sein oder? - Klaus-Dieter Sedlacek, Foto cc-by Anieteke (flickr)

Vor wenigen Jahrhunderten schleuderten sie noch Blitze gegen die Menschen. Heute ist ihr Zuständigkeitsbereich stark geschrumpft. Die Rede ist von den übernatürlichen Mächten. Sterben diese als Erklärungsmodell in der heutigen Zeit aus?

Als Erklärungsmodell sind übernatürliche Mächte immer dann gefragt, wenn es um scheinbar Unerklärliches oder um nicht beeinflussbare Dinge geht. Krankheiten, Naturkatastrophen, Geburt und Leben, die Kosmologie oder auch nur das Wetter waren zumindest in der Vergangenheit die Bereiche in denen überirdische Mächte im Denken der Menschen ihr Betätigungsfeld fanden. Denn Stürme, Regen oder sonstige Wetterphänomene ließen sich in früheren Zeiten nicht auf bekannte Ursachen zurückführen. Die anscheinend logische Schlussfolgerung in solchen Fällen war dann immer, dass nur eine übernatürliche Macht der Verursacher der Phänomene sein konnte. Göttliche Strafgerichte wie Überschwemmungen lehrten die Menschen, diese überirdischen Mächte zu fürchten. Eine gerechte Verteilung von Regen und Sonne, die zu reichen Ernten führte, empfanden die Menschen dagegen als Zeichen göttlicher Gunst.

Die Tage göttlicher Wettermacher waren aber spätestens seit der Einführung von Thermometer und Barometer gezählt. Im 17. Jahrhundert begannen sich neue Ansätze der Wetterforschung herauszubilden. Auf dem Gebiet der Meteorologie mussten die übernatürlichen Mächte der Wissenschaft weichen.

Ein weiteres Feld für Scharmützel zwischen rationalem Denken und Glauben an überirdische Mächte waren Schicksalsschläge und Krankheiten. Soweit es um die Heilung eines gebrochenen Beines oder einer Infektionskrankheit geht, werden heute Überirdische nicht mehr benötigt. Die moderne Medizin richtet es und die Bezeichnung »Halbgötter in Weiß« ist eher ironisch zu werten. Insofern mussten die übernatürlichen Mächte auch auf diesem Gebiet den Rückzug antreten. Die Wissenschaft füllt nun die entstandene Lücke aus.

Das Wissen der Götter in der modernen Naturwissenschaft

Die abendländischen Alchemisten, deren fortschrittliche Apparatetechnik eine wissenschaftliche Leistung war, bezogen angeblich geheimes Wissen von den Göttern. Die geheime Anleitung der Alchemisten, die »Tabula Smaragdina« wurde vermutlich im 11. Jahrhundert ins Lateinische übersetzt und soll vom griechischen Gott Hermes stammen. Im 17./18. Jahrhundert wurde die Alchemie allmählich von der modernen Chemie und Pharmakologie abgelöst.

Spätestens mit der Entstehung der Quantentheorie vor 100 Jahren und der Entdeckung des Periodensystems der Elemente, hörten die Götter mit der Unterstützung der alchemistischen Goldmacher auf. Denn nun wusste die Wissenschaft so viel über den Aufbau der Atome, dass die Herstellung von Gold durch alchemistische Methoden, als ein Ding der Unmöglichkeit entlarvt wurde.

Trotz der Niederlage für die übernatürlichen Mächte profitierte die Wissenschaft von den zahlreichen Errungenschaften der Alchemie. Diese sind unter anderem die Erfindung des Porzellans oder des Schwarzpulvers in Europa. Aber auch weniger Spektakuläres wie die Herstellung von Phosphoreszenz-Farbstoff oder die Entdeckung der Chemilumineszenzreaktion, die in der forensische Chemie Eingang fand, gelang den Alchemisten.

In der Wetterkunde, der Medizin, der Kosmologie und bei sonstigen unerklärlichen Phänomenen, überall mussten die ursprünglich überirdischen Mächte Niederlagen einstecken, zurückweichen und der wissenschaftlichen Welterklärung Platz machen. Umso erbitterter werden die scheinbar verbliebenen Bastionen von Gläubigen verteidigt. Mit Begierde stürzen sich die Verteidiger mystischer Mächte auf die tatsächlichen oder vermeintlichen Lücken in der Wissenschaft.

Sind die Arten durch Zufall entstanden?

Eines der Hauptargumente der Mystiker ist das Unwahrscheinlichkeitsargument. Es sei unwahrscheinlich, dass sich unser Universum durch Zufall entwickelt habe. Es sei unwahrscheinlich, dass biologische Moleküle durch Zufall entstanden sind. Oder es sei unwahrscheinlich, dass sich komplizierte menschliche Organe durch Zufall entwickelt haben. Dabei glauben die selbst ernannten Advokaten der Mystik, dass es nur zwei Alternativen gäbe: Schwarz oder Weiß, Zufall oder Schöpfer und nichts anderes. Wenn der Zufall zu Fall gebracht wird, dann gibt es nach dieser Denkweise nur noch den Schöpfer.

Das Dumme ist nur, dass die Evolutionsbiologen gar nicht behaupten, die Arten seien allein durch Zufall entstanden. Entsprechendes gilt für die Wissenschaftler anderer Fachbereiche, in denen evolutionäre Prozesse vorkommen. Die Evolutionsbiologie führt das Prinzip der ‘natürlichen Selektion’ an, welches die Natur anwendet, um bei harten äußeren Lebensbedingungen die fittesten Individuen überleben zu lassen. Dies führt genauso wie bei der Züchtung von Pflanzen oder Haustieren, nach und nach zu neuen Arten. Die natürliche Auswahl der Fittesten hat nichts mit blindem Zufall zu tun. Wie gut und manchmal auch rasend schnell dieses Prinzip besonders in der gezielten Anwendung funktioniert, beweist die Pharmaindustrie, die jährlich neue Impfstoffe gegen mutierte Grippeviren entwickelt. Ohne den Begründer der Evolutionstheorie, Charles Darwin, würden Pandemien regelmäßig auftreten und könnten nicht schon im Keim erstickt werden.

Ist der Organismus in der Eizelle vorgebildet?

Auch die Vorstellung, dass sich der Mensch nicht allmählich im Mutterleib entwickelt, sondern von ‘Gott’ geschaffen wird und der gesamte Organismus im Spermium bzw. in der Eizelle praktisch vorgebildet ist, verträgt sich nicht mit den Fakten. Zumindest seit es Mikroskope gibt, kann sich jeder Biologe oder Mediziner, vom Gegenteil überzeugen.

Der Evolutionsbiologe und Philosoph Ernst Haeckel zeigte bereits vor mehr als hundert Jahren, dass das Dogma der Präformation aus naturwissenschaftlicher Sicht nicht haltbar ist:

In engem Zusammenhange mit der Präformationslehre und in berechtigter Schlussfolge aus derselben entstand im 17. Jahrhundert eine weitere Theorie, welche die denkenden Biologen lebhaft beschäftigte, die sonderbare “Einschachtelungslehre”. Da man annahm, dass im Ei bereits die Anlage des ganzen Organismus mit allen seinen Teilen vorhanden sei, musste auch der Eierstock des jungen Keimes mit den Eiern der folgenden Generation darin vorgebildet sein, und in diesen wiederum die Eier der nächstfolgenden u. s w., in infinitum! Darauf hin berechnete der berühmte Physiologe Haller, dass der liebe Gott vor 6000 Jahren - am sechsten Tage seines Schöpfungswerkes - die Keime von 200000 Millionen Menschen gleichzeitig erschaffen und sie im Eierstock der ehrwürdigen Urmutter Eva kunstgerecht eingeschachtelt habe. (Ernst Haeckel: Die Welträtsel)

Mit Haeckel wendet sich das Argument der Unwahrscheinlichkeit gegen die Verteidiger der übernatürlichen Mächte selbst. Die Schöpfung der Keime durch den lieben Gott ist aus wissenschaftlicher Sicht mehr als unwahrscheinlich. Um daran zu glauben, bedarf es wenig nachvollziehbarer intellektueller Anstrengungen. Die übernatürlichen Mächte ziehen sich weiter zurück, aber aussterben werden sie wohl nie. Denn auch ein falsch angewendetes Argument der Unwahrscheinlichkeit findet immer neue Anhänger. - Klaus-Dieter Sedlacek - Foto: cc-by-sa radiant guy (flickr)

Geheimnisse des Universums: Dunkle Materie / Dunkle Energie

Umstrittene Dunkle Energie

Kein Wunder, dass immer wieder alternative Modelle entwickelt werden, um vielleicht ohne exotischen Energieformen auszukommen. Wie zwei Kosmologen von der Oxford University im aktuellen August-Heft von “Spektrum der Wissenschaft” in der Titelgeschichte beschreiben, könnte ein solches Alternativmodell so aussehen: Falls wir kosmisch gesehen inmitten einer Region leben, in der weniger Sterne und andere Materie zu finden sind als anderswo, dann würde sich der astronomische Befund vom gleichmäßig beschleunigten Universum anders darstellen. Dann variiert nämlich die kosmische Expansionsrate mit dem Ort – und das würde den Astronomen eine kosmische Beschleunigung nur vorspiegeln, ohne es wirklich zu sein.

Könnte es also sein, dass wir im Universum nicht in einer gleich verteilten Ansammlung von Sternen und Galaxien leben, wie das kosmische Standardmodell annimmt? Eine riesige Leere um die Erde und ihr Milchstraßensystem herum kommt den meisten Kosmologen deshalb auch sehr unwahrscheinlich vor, doch einige Forscher ziehen sie der mysteriösen Dunklen Energie vor. Was spricht dafür? Was spricht dagegen?

Die Entdeckung des beschleunigten Universums kündigte sich vor vor elf Jahren an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie hätten keine Ahnung, woraus über 70 Prozent des Kosmos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erfüllt wird, welche die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt damals den Namen Dunkle Energie.

Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele Rätsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Existenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das kopernikanische Prinzip. Ihm zufolge nimmt die Erde keinen zentralen oder sonst wie ausgezeichneten Platz im All ein. Wenn wir dieses Grundprinzip preisgeben, bietet sich eine überraschend einfache Erklärung für die neuen Beobachtungen an.

Wir haben uns längst an die Idee gewöhnt, dass unser Planet nur ein winziger Fleck ist, der irgendwo am Rand einer durchschnittlichen Galaxie einen typischen Stern umkreist. Nichts scheint unseren Ort inmitten von Milliarden Galaxien, die sich bis an unseren kosmischen Horizont erstrecken, besonders auszuzeichnen. Doch woher nehmen wir diese Bescheidenheit? Und wie könnten wir herausfinden, ob wir nicht doch einen speziellen Platz einnehmen? Meist drücken sich die Astronomen um diese Fragen und nehmen an, unsere Durchschnittlichkeit sei offensichtlich genug. Die Idee, wir könnten tatsächlich einen besonderen Ort im Universum bewohnen, ist für viele undenkbar. Dennoch ziehen einige Physiker dies seit Kurzem in Betracht.

Zugegeben: Die Annahme, wir seien kosmologisch unbedeutend, erklärt viel. Mit ihrer Hilfe können wir von unserer kosmischen Nachbarschaft auf das Universum im Großen und Ganzen schließen. Alle gängigen Modelle des Universums beruhen auf dem kosmologischen Prinzip. Die beschleunigte Expansion war also die große Überraschung, mit der die aktuelle Revolution in der Kosmologie begann.

Angenommen, die Expansion verlangsamt sich überall, weil die Materie an der Raumzeit zieht und sie bremst. Nehmen wir ferner an, dass wir in einer gigantischen kosmischen Leere leben – in einem Gebiet, das zwar nicht völlig leer gefegt ist, wo aber die mittlere Materiedichte nur etwa halb so groß ist wie anderswo. Je leerer eine Raumregion ist, desto weniger Materie bremst dort die räumliche Expansion, und entsprechend höher ist die Expansionsgeschwindigkeit innerhalb des Leerraums. Am höchsten ist sie in der Mitte; zum Rand hin, wo sich die höhere Dichte des Außenraums bemerkbar macht, nimmt sie ab. Zu jedem Zeitpunkt expandieren verschiedene Raumpartien unterschiedlich schnell – wie der ungleichmäßig aufgeblasene Luftballon.

Wie ausgefallen ist diese Idee einer monströsen Abnormität? Auf den ersten Blick sehr. Sie scheint in eklatantem Widerspruch zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu stehen, die bis auf Hunderttausendstel genau gleichförmig ist, ganz zu schweigen von der im Großen und Ganzen ebenmäßigen Verteilung der Galaxien. Doch bei näherer Betrachtung muten diese Indizien weniger zwingend an. Die Gleichförmigkeit der Reststrahlung erfordert nur, dass das Universum in jeder Richtung nahezu gleich aussieht. Wenn eine Leere ungefähr kugelförmig ist und wir einigermaßen nahe ihrem Zentrum sitzen, muss sie nicht unbedingt den Beobachtungen widersprechen.

In kommenden Jahren werden Himmelsbeobachtungen zwischen beiden Erklärungen entscheiden.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2009

Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem Halo der Galaxie. Ihre dichten Zentren strahlen energiereiche Gammastrahlung ab, die durch gegenseitige Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.Bild: Max-Planck-Institut für Astrophysik

Supercomputer berechnen, wo Astrophysiker gezielt suchen müssen

Ein internationales Team von Astrophysikern, das Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching leitet, hat jetzt mithilfe eines der größten Supercomputer Europas gezeigt, wohin das neueste Satellitenobservatorium der Nasa blicken muss, um die geheimnisvolle Dunkle Materie im Universum zu entdecke.

Das Fermi-Teleskop, das schon seit einigen Monaten den Himmel nach Gammastrahlen durchsucht, könnte in den nächsten Jahren ein schwaches Glimmen der Dunklen Materie aufspüren. Während deren Gravitationswirkung bereits vor über 75 Jahren entdeckt wurde, bleibt die Dunkle Materie bis heute für alle Teleskope unsichtbar, obwohl sie rund 85 Prozent aller kosmischen Materie ausmacht. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese neue Art von Elementarteilchen genügend Gammastrahlen produzieren, um vom Fermi-Teleskop entdeckt werden zu können. Darüber hinaus soll der Teilchenbeschleuniger “Large Hadron Collider” (LHC) in der Nähe von Genf Belege dafür finden.

Aber wohin soll das Fermi-Teleskop ausgerichtet werden, um die Gammastrahlen-Signatur der Dunklen Materie zu sehen? Astrophysiker aus Deutschland, Großbritannien, Kanada und den Niederlanden, die sich zum “Virgo-Konsortium” zusammengeschlossen haben, simulierten jetzt mithilfe eines extrem leistungsfähigen Supercomputers am Leibniz-Rechenzentrum in Garching die Entstehung der Strukturen Dunkler Materie, die eine Galaxie wie unsere Milchstraße umgeben. Solche Halos sind mehr als eine Billion Mal so massiv wie unsere Sonne und stellen die Grundeinheiten der kosmischen Struktur dar.

Der Halo der Milchstraße entstand vermutlich durch eine Reihe gewaltiger Kollisionen viel kleinerer Klumpen, die aus dem Urknall hervorgingen, und dann verschmolzen. Die meisten davon wurden auseinandergerissen, aber einige haben den Prozess überstanden. Die größten davon beherbergen heute bekannte Satellitengalaxien wie die Magellanschen Wolken oder die Sagittarius-Zwerggalaxie. Andere Klumpen waren zu klein, als dass Sterne aus ihnen hätten entstehen können. Astronomen vermuten aber, dass sie sich immer noch im Halo unserer Galaxie verbergen, wenngleich kein Teleskop sie bisher entdeckt hat.

Gammastrahlen werden in Regionen mit einer hohen Dichte von Dunkler Materie erzeugt, wenn die Teilchen zusammenstoßen und zerstört werden. Viele Kosmologen gehen bisher davon aus, dass das Fermi-Teleskop nach Gammastrahlen aus den Trabanten der Milchstraße suchen solle, da deren Zentren sehr dicht sind. Die Simulationen des Virgo-Teams zeigen aber, dass dies nicht der beste Ort für die Suche ist. Die sorgfältigen Berechnungen der Wissenschaftler belegen, dass Signale am leichtesten in Regionen der Milchstraße entdeckt werden könnten, die zwar innerhalb der Umlaufbahn der Sonne um das galaktische Zentrum, aber nicht zu nah an diesem liegt.

Auf der Suche nach Gammastrahlen

Genau ins Zentrum zu blicken, wäre eine schlechte Strategie für das Fermi-Teleskop. Das Signal könnte dabei durch Gammastrahlen von anderen Quellen, wie beispielsweise den Überbleibseln von Supernovae oder von Gaswolken gestört werden, in denen sich Sterne bilden. Stattdessen empfehlen die Wissenschaftler, 10 bis 30 Winkelgrade außerhalb des Zentrums zu suchen. Die Dunkle Materie sollte dort in einem sich gleichmäßig verändernden und charakteristischen Muster leuchten.

“Wenn das Teleskop tatsächlich die vorausberechnete Emission aus dem gleichmäßigen inneren Halo der Milchstraße entdeckt, dann könnte es, wenn wir Glück haben, auch Gammastrahlen aus kleinen (und ansonsten unsichtbaren) Klumpen von Dunkler Materie sehen, die zufällig besonders nah an der Sonne liegen”, sagt Volker Springel, der die Rechnerkalkulation überwachte. Diese Klumpen werden deutlich lichtschwächer sein als der Haupthalo, könnten aber dennoch entdeckt werden. Die bekannten Satellitengalaxien würden ebenfalls in Gammastrahlen sichtbar sein, obwohl ihre Entdeckung aufgrund ihres größeren Abstandes noch schwieriger ist.

Die Simulation benötigte insgesamt 3,5 Millionen Rechnerstunden. “Mitunter glaubte ich, sie wird nie fertig”, sagt Volker Springel.

“Diese Berechnungen erlauben uns endlich, zu sehen, wie die Verteilung der Dunklen Materie nahe der Sonne aussehen sollte”, erklärt Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik. “Das Rätsel um die Dunkle Materie zu lösen, wäre eine der größten wissenschaftlichen Leistungen unserer Zeit. Es ist bemerkenswert, dass sogar theoretische Fortschritte auf einem so wichtigen Gebiet jetzt in internationaler Zusammenarbeit erzielt werden”, sagt Carlos Frenk, Direktor des Institute for Computational Cosmology an der Durham University. (Quelle: idw)

Video: Isaac Newton und die Gravitation

Kosmologen erklären sich heute viele ansonsten unerklärliche Beobachtungen mit Hilfe der ominösen dunklen Materie. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde sehr viel Aufwand in diesem Forschungsgebiet betrieben. Dennoch wurde bislang nicht direkt nachgewiesen, dass es diese rätselhafte Substanz überhaupt gibt. Und selbst wenn es sie gäbe, würde das längst nicht alle Abweichungen oder Widersprüche zwischen den Messungen und den theoretischen Vorhersagen beseitigen. Seit einiger Zeit mehrt sich daher die Zahl derer unter den Physikern, die die Existenz dunkler Materie anzweifeln. Es wurden auch schon konkurrierende Gravitationstheorien entwickelt, die ohne dieses Konstrukt auskommen. Ihr Problem ist lediglich, dass sie in Konflikt mit der Newtonschen Gravitationstheorie stehen. “Möglicherweise lag Newton aber tatsächlich falsch”, erklärt Professor Dr. Pavel Kroupa vom Argelander-Institut für Astronomie (AIfA) der Universität Bonn. “Seine Theorie beschreibt zwar die Alltagseffekte der Schwerkraft auf der Erde, die wir sehen und messen können. Die tatsächliche Physik hinter der Gravitation kennen wir aber vielleicht noch gar nicht.” weiter…