Väter der Urknall-Kosmologie

Friedmann, Lemaître, Einstein, Gamow – das wissenschaftlich fundierte Big-Bang-Modell ist das Produkt vieler Ideen

Als Zeit und Raum sich vor zirka 13,7 Milliarden Jahren in einem ungeheurem Inferno binnen eines Bruchteils eine Picosekunde aus einem undefinierbaren unendlich kleinen Punkt (Singularität) von unbeschreiblich hoher Energiedichte und Temperatur mit unglaublicher "Geschwindigkeit" befreiten und jene Ingredienzen in die Welt traten, die später zu Materie, Antimaterie und auch bislang noch unbekannten Energieformen zusammenfanden, geschah etwas absolut Unerklärliches. Was bleibt, sind Fragen über Fragen: War der Anfang der Welt wirklich der absolute Nullpunkt der Zeit? Wer oder was löste den Big Bang aus? Zumindest wissen wir, wer die ersten Menschen waren, die die Saat des Urknallmodells legten und sich der Idee der Ursprungssingularität als Erste wissenschaftlich näherten.

Wissenschaftshistorisch lädt die Tatsache schon ein wenig zum Schmunzeln ein, dass einer der geistigen Schöpfer des klassischen astrophysikalischen Urknall-Modells selbst ein Geistlicher gewesen ist, letzten Endes also einer Institution entstammte, die im Verlaufe ihrer nicht immer unbeschwerten Geschichte den naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinn nur wenig gemehrt hat.

Es wurde Licht

Aber wohl nicht deswegen finden sich im von dem belgischen Jesuiten Abbé Georges Lemaître (1894 –1966) und dem russischen Meteorologen und Mathematiker Aleksandrowitsch Friedmann (1888–1925) unabhängig voneinander postulierten Standardmodell ("Friedmann- Lemaître-Modelle") auch Elemente, die von den Weltreligionen schon seit Jahrtausenden beschrieben wurden. Tatsächlich wird die Vorstellung, dass die Welt quasi aus dem Nichts geschaffen wurde ("creatio ex nihilo"), am Anfang das Licht war ("fiat lux") und es einen Anfang der Zeit gab, im von Friedmann und Lemaître berechneten Urknall-Modell reflektiert.

Hat sich unser Universum aus dem Nichts kreiert? Bild: ESO

Der Fortschritt beider Forscher bestand aber vornehmlich darin, dass ihr Modell einerseits auf Einsteins homogenem und isotropem Universum fußte, andererseits aber – entgegen Einsteins statischem Universum – die Möglichkeit einer Expansion und Kontraktion beinhaltete. Während Friedmann bereits 1922 in einem kaum beachteten Aufsatz ein nichtstatisches, kosmisches Modell mit endlichem Weltalter beschrieb, in dem sich die Krümmung des Raumes mit der Zeit änderte, skizzierte der Priester und ausgebildete Astronom Lemaître zwischen 1927 und 1933 in der Publikation "Hypothèse de l’atome primitif" die erste Fassung der "Urknall"- Theorie.

Georges Lemaître (links) und Albert Einstein

Demgemäß war der Kosmos aus einem einzigen ursprünglichen Energiequantum hervorgegangen ("Superradioactive decay of a primeval atom"). Dass Lemaître die Idee des Urknalls auf geradezu aphoristische Weise antizipierte, wusste auch Albert Einstein zu würdigen. "This is the most beautiful and satisfactory explanation of creation to which I have ever listened", lautete sein Kommentar auf Lemaîtres Big-Bang-Entwurf.

Gamows Ylem

Ebenso auf großes Interesse stieß Lemaîtres Modell beim russischen Physiker George A. Gamow (1904 –1968), der in seinem kosmologischen Konzept von einem "heißen Anfang" ausging und bereits 1946 in einem unbekannteren Artikel in einem Fachmagazin mit dem Vorschlag aufwartete, das Universum sei in seinem Frühstadium mit einem heißen Gas aus freien Neutronen gefüllt gewesen, dem Ylem (griech.: Urmaterie), worunter Gamow sich eine Art heiße "Ursuppe", genauer gesagt eine Nukleosynthese, vorstellte: einen zu Neutronen zusammen gequetschten Wasserstoffklumpen.

Bild: ESO

Aus diesem Gebilde, das sich langsam wie ein Luftballon aufblähte, bildeten sich nach zwanzig Minuten alle uns heute bekannten chemischen Elemente, woraus Gamow wiederum folgerte, dass die übrig gebliebene Urstrahlung allgegenwärtig sein und sich aufgrund der schnellen Ausdehnung des Universums auf eine Temperatur von zirka fünf Grad (Celsius) über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt haben musste.

Geistiger "Großvater"

Wenn Friedmann, Lemaître und Gamow die geistigen Väter des Urknall-Modells waren, dann muss Einstein im imaginären Stammbaum die Rolle des Großvaters zugeschrieben werden, bereitete er doch mit seinen beiden Relativitätstheorien der damals gängigen Newton’schen Vorstellung von einem absoluten Raum und einer absoluten Zeit ein absolutes Ende. Denn als Einstein in der Speziellen Relativitätstheorie (1905) den Konnex von Raum und Zeit herausarbeitete ("Raum und Zeit für sich sind relativ") und zehn Jahre später in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) eine geometrische Theorie der Schwerkraft mit einer nichteuklidischen Geometrie der Raumzeit formulierte ("Raum und Materie sind miteinander verknüpft"), erschütterte er nicht nur ein bestehendes physikalisches Weltbild, sondern führte die Physik und Astronomie in eine neue Ära, die bis auf den heutigen Tag seine Handschrift trägt.

Hubble Ultra Deep Field – der bisher tiefste Blick zurück: Mindestens 12 Milliarden Jahre zurück in die Vergangenheit des Universums. Bild: NASA

Energie und Materie sind äquivalent [E = mc²] – Raum und Zeit werden verschmolzen zur vierdimensionalen Raumzeit, Bewegung und Krümmung der Raum-Zeit-Geometrie bedingen einander: Die Geometrie bestimmt die Bewegung der Materie, und die Energiedichte der Materie bewirkt die Abweichung von der pseudo-euklidischen Geometrie (Krümmung) der Raum-Zeit-Geometrie. Damit wurde theoretisch auch die Möglichkeit einer dynamischen Geometrie eröffnet, eine Folgerung aus den Einstein’schen Feldgleichungen, die Einstein noch 1917 ignorierte.

Bild: NASA

Die Kosmologie im Sinne einer naturwissenschaftlichen Theorie des Universums ist also erst im 20. Jahrhundert möglich geworden. Erst seit 1915 haben wir mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie die Möglichkeit einer mathematisch-physikalischen Formulierung für den Zusammenhang von Raum, Zeit, Materie und die Ausbreitung des Lichts. Weiterhin war erst durch die Formulierung der Quantenmechanik und Atomphysik in den 1920er Jahren die Entschlüsselung der Energiequelle der Sterne möglich.

Information kann aus unserem Kosmos nicht entschwinden... Bildnachweis: NASA

Hubble und die Expansion des Alls

Einstein, zunächst selbst ein überzeugter Anhänger eines statischen Universums und somit ein entschiedener Gegner eines aus einem Uratom gewachsenen Kosmos à la Lemaître, änderte seinen Standpunkt erst 1930 – nach einem Treffen mit dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble, der Einstein mit seinem 100-Zoll-Teleskop auf dem Mount Wilson in persona jene sensationelle Entdeckung vor Augen führte, die ihn zuvor in die Schlagzeilen der Weltpresse gebracht hatte.

Edwin Hubble mit seinem 100-Zoll-Teleskop Bild: NASA

1923 gelang es Hubble nämlich, die von Kant und Herschel postulierten "Welteninseln" erstmals in Gestalt der Andromeda-Galaxie aufzulösen und den extragalaktischen Status der vermeintlichen nebelartigen Struktur anhand der Cepheiden-Variablen zu bestätigen, sowie dessen Entfernung zur Erde zu messen. Damit endete nicht nur eine jahrzehntelang währende Diskussion; innerhalb der Kosmologie begann zugleich auch ein neues Zeitalter. Was zuvor reine Spekulation gewesen war, eroberte nun als "Island Universe Theory" die Lehrbücher. Dank der Erkenntnis, dass neben unserer Galaxis in der Weite des kosmischen Wüstenmeers noch unzählige andere galaktische Materieoasen drifteten, war nunmehr evident, dass das All viel größer sein musste als bislang angenommen.

NGC 7331 – eine von sehr vielen Galaxien, die scheinbar einsam und verloren im All driftet... Bild: NASA/Spitzer

Mithilfe seines leistungsstarken Teleskops und mittels der Spektralanalyse des einfallenden Lichts der weit entfernten "Welteninseln" beobachtete Edwin Hubble 1929 eine Verschiebung der Spektrallinien zum roten Ende des elektromagnetischen Spektrums, also zu den größeren Wellenlängen hin. Diese Rotverschiebung deutete er als Doppler-Effekt, was wiederum nur einen Schluss zuließ: Die anvisierten Galaxien bewegen sich von der Erde fort, wobei nach der Sichtweise der ART nicht die Milchstraßen auseinander driften, sondern vielmehr der Raum selbst expandiert – gleich einem Luftballon.

Die Geschichte des Universums bleibt trotz allem geheimnisumwittert Bild: ESA

Mit welcher Geschwindigkeit sich dieser Prozess vollzieht, beschreibt das Hubble'sche Expansionsgesetz, dem zufolge die Fluchtgeschwindigkeit v und die Entfernung d eines astronomischen Objekts durch die empirische Beziehung v = Ho x d miteinander verknüpft sind, wobei der exakte Zahlenwert der so genannten Hubble-Konstante Ho, der für die Berechnung der Fluchtgeschwindigkeit zentral ist, bis heute strittig ist. Er bewegt sich zwischen 55 und 90 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Wenig später (1931) publizierten Einstein und Willem de Sitter das einfachste Weltmodell: Der Weltraum expandiert ewig, der Raum ist euklidisch und das Weltalter umgekehrt proportional zur Hubble-Konstante. Aus all dem ergab sich zwangsläufig die Überlegung, dass, wenn dieser Prozess umgekehrt, also die Expansionsbewegung gewissermaßen zurückgerechnet wird, man unweigerlich an einem Punkt anlangen müsse, in dem Materie, Raum und Zeit einst vereinigt gewesen, aus dem sie gewissermaßen zugleich in einer gigantischen "Explosion" entsprungen sein mussten.

Die Entdeckung der Hintergrundstrahlung

Die wahre Bedeutung der von Gamow für das frühe Universum berechneten Strahlung erkannte als Erster Robert Dicke (University Princeton, New Jersey), der im Unterschied zu Gamow annahm, dass die vermutete Hintergrundstrahlung auch heute noch nachweisbar sein müsse. Während Dicke und sein Team mit den ,in Eigenregie gebauten, differentiellen Mikrowellen-Radiometern gezielt nach Strahlungsquellen im All Ausschau hielten, die kühler als 20 Kelvin sein mussten, kamen Arno A. Penzias und Robert W. Wilson von den amerikanischen Bell Telephone Laboratories (New Jersey) als Erste in den Genuss, das kosmische Rauschkonzert des zweiten Aktes der Urknall-Ouvertüre in natura zu hören.

Arno A. Penzias und Robert W. Wilson mitsamt ihrer Hornantenne im Hintergrund

Mit der 6,60 Meter langen Hornantenne von Holmdel wurden sie im Jahr 1964 "Ohrenzeugen" einer anhaltenden Mikrowellenstrahlung (auf einer Wellenlänge von 7,35 Zentimeter), die aus allen Himmelsrichtungen in der gleichen Intensität und Temperaturäquivalenz von 3,5 Kelvin eintraf. Nachdem alle potentiellen Störquellen ausgeschaltet waren, schälte sich heraus, dass die detektierte, sehr langwellige und isotrope Radiostrahlung nichts anderes als ein kosmisches Relikt war, sozusagen ein Nachglühen des Urknalls, ein Echo des Big Bang. Gleichzeitig war aber die Entdeckung der Hintergrundstrahlung auch ein entscheidendes Indiz gegen die Steady-State-Theorie, mit der die Astrophysiker Hermann Bondi, Thomas Gold und Fred Hoyle im Jahr 1948 die Fachwelt konfrontierten. Während die Big-Bang-Theorie noch um die nötige Anerkennung kämpfte, verneinte die von ihnen formulierte Theorie den im Urknall-Modell beschriebenen Beginn der Welt und ging stattdessen von einem unendlichen Universum aus, das ewig währt und für alle Zeiten gleich aussieht und das für jeden Beobachter – egal, von welchem Ort er dieses Universum betrachtet – stets den gleichen Anblick der Welt böte.

http://www.heise.de/tp/artikel/25/25339/1.html