ERFORSCHUNG DER UNENDLICHKEIT

TEIL 2

Prof G. Venkataraman

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Wie alles begann

Sai Ram und erneut herzliche Grüße.

Vom „Seins-Zustand“ zum „Urknall“

Vielleicht wirst Du es nicht glauben, aber grade noch in den 20ern des 20-sten Jahrhunderts dachten die Menschen einschließlich Astronomen, dass die Milchstraße, in der wir unseren Platz haben, die einzige Galaxie im Kosmos sei, dass das Universum immer existierte und dass es immer in einem festen Zustand ohne jede Änderung der Größe sei.

In der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts sah man all jene bekannten Konzepte völlig anders. Am Bedeutendsten ist, dass wir jetzt glauben, dass das physikalische Universum in dem wir leben eine bestimmte Geburt hatte, also ein Ereignis, das volkstümlich als "Urknall" („Big Bang“) bekannt wurde.

Die Idee vom Urknall kommt in gewissem Ausmaß von George Gamow. Es muss hinzugefügt werden, dass Gamow eigentlich keine Fragen über die Geburt des Universums gestellt hatte. Er war mehr an der Frage interessiert: „Wie hatten sich die ersten Urelemente im kosmischen Kessel (cosmic cauldron) gebildet, der nach der Geburt des Universums entstanden war?“

Obwohl die Menschen sich Modelle bezüglich des frühsten Universums erdacht hatten, war die Frage nach der tatsäch-lichen Entstehung nicht wichtig, bis Gamow aktiv wurde. Jedoch ist die frühere Geschichte in eigener Weise aufschluss-reich und vielleicht sollte ich dazu einen kleinen Einblick geben, bevor ich zu Gamow zurückkomme und zu dem Auslöser, den er lieferte.

Die Schwerkraft in Einsteins Theorie

Schnitt zum Jahr 1915, als Einstein, bereits berühmt und bald fast bekannt wie ein Rockstar, seine Allgemeine Theorie von der Relativität und Gravitation entfaltete.

Dies ist eine sehr bedeutende Entwicklung und vielleicht sollte ich ein paar Worte dazu sagen. Wir alle wissen, Newton war es, der zuerst aussagte, dass Materie Materie anzieht, wegen einer Kraft, die dann Gravitati-onskraft genannt wurde; dass ein Stein, wenn er geworfen wird, zur Erde fällt, wegen der Kraft der Gravitation; und dass die Erde um die Sonne fliegt und der Mond um die Erde, wegen Gravitation. Aber was ist exakt diese Gravitation? Das war die Frage, die Einstein beant-wortete, obwohl nicht vollständig, aber zumindest in großem Maße.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie [AR] ist ziemlich kompliziert. Zur der Zeit als sie entwickelt wurde, verstanden sie tatsächlich nur sehr wenige Wissenschaftler - und sicher keine gewöhnlichen Menschen. Jedoch beschäftigen wir uns hier nicht mit den technischen Details, sondern mit einer aufschlussreichen Geschichte bezüglich der Relativitätstheorie. Der Kern der AR sind eine Anzahl von Gleichungen die Einstein spielerisch auf das ganze Universum anwandte. Und was fand er? Etwas Unglaubliches: das Universum hatte eine Geburt und expandierte danach.

Einstein war schockiert und konnte nicht glauben, was seine eigenen Gleichungen ihm aussagten. Er sprach zu sich: „Mit meinen Gleichungen ist etwas falsch gelaufen, denn wie kann das Universum geboren werden? Es ist immer da gewesen; und was dessen Ausdehnung betrifft: sie ist vollkommener Unsinn. So lasst mich, um die Fakten richtig zu stellen, meine Gleichungen in Ordnung bringen, damit sie die Wahrheit erzählen." Und Einstein „brachte seine Gleichungen in Ordnung“, indem er etwas hinzufügte, was er die „Kosmische Konstante“ nannte; daraufhin benahmen sich die Gleichungen „anständig“; das bedeutet, sie sagten nichts mehr über eine Geburt des Universums aus, noch irgend etwas voraus über dessen Expansion. Einstein fühlte sich zufrieden und entspannt.

Heute wissen sogar Schüler, dass das Universum einen Anfang hatte und sich die ganze Zeit ausdehnt, aber 1920 gab es bei den Leuten eine ganz andere Vorstellung davon. Einige Gelehrte sagten, das läge am subtilen Einfluss der Religion; ich weiß nicht, aber Tatsache ist, dass in jenen Tagen die Menschen dachten, einschließlich der Astronomen [!], die Milch-straße stelle das gesamte Universum dar!

Die Friedman-Theorie verbreitet neues Licht

Diese Geschichte hier hat zwei Teile, einer davon dreht sich um Alexander Friedman und der andere um Edwin Hubble. Wir werden uns ihrer nacheinander annehmen, beginnend mit Friedman in Russland. Friedman war zu dieser Zeit [1922] ein junger Mann und wurde von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie fasziniert. Wie Einstein selbst, begann auch er mit dessen Gleichungen zu spielen und fand, dass abhängig von den Umständen, das Universum unterschiedliche Historien (Welt-Geschichten) haben könnte. Diese werden gesondert beschrieben. Aber allen gemeinsam waren eine Geburt und die Expansion [- in einem Modell nur in den ersten Phasen -]

Einstein war der Großmeister; Friedman schickte dem bedeutenden Mann einen Brief, legte ihm seine Resultate vor und bat ihn, diese Abhandlung in einer führenden Physikzeitschrift zu veröffentlichen. Wie ich dir vorher erzählte, war Einstein bereits auf das fragwürdige Ergebnis, das Universum sei geboren, gestoßen und hatte es abgewiesen. Also schrieb er Friedman eine kurze Notiz, die mitteilte, er läge völlig verkehrt. Jung-Friedman war enttäuscht, gab aber nicht auf. Er prüfte seine Arbeit immer wieder und stellte fest, dass er nirgends einen Fehler gemacht hatte und dass seine Befunde wahr sind. So schrieb er einen zweiten Brief an Einstein und plädierte, seine Ergebnisse verdienten Veröffentlichung, da kein Fehler darin enthalten sei.

Einstein reiste zu dieser Zeit und in der Tat, laut Reisebericht, verpasste er es nach Stockholm zu fahren, um den Nobelpreis im Dezember 1922 zu empfangen. [Damals mussten sie mit dem Schiff fahren und das dauerte Wochen]. Daher ist es nachvollziehbar, dass Einstein Friedmans zweiten Brief ebenso verfehlt. Als Einstein jedoch nach Berlin zurückkehrte , wo er damals lebte, brachte es ein russischer Wissenschaftler namens Krukov zu eine persönlichen Begegnung mit ihm und argumentierte im Sinne von Friedman. Daraufhin studierte Einstein Friedmans Arbeit, fand darin keinen Fehler und gab zu, dass Friedmans Ausarbeitung neues Licht verbreite.

Edwin Hubble

Wir kommen jetzt zum zweiten Teil der Geschichte, die uns nach Amerika mitnimmt und von Hubble handelt. Edwin P. Hubble wurde in Missouri, USA, 1889 geboren. Nachdem er 1910 den Grad "Bachelor of Science" der Universität von Chicago erlangt hatte, begann Hubble eine Ausbildung zum Rechtsanwalt. Wegen des Einflusses von Freunden entwickelte er jedoch auch starkes Interesse an Astronomie. Nach seinem B.S.-Titel ging Hubble nach Oxford als "Rhodes Scholar“. In Oxford zeigte Hubble der Welt, dass er auch ein guter Athlet war, indem er den „Oxford Blue“ in Athletik erlangte. Dazu kommt sein Training als Schwergewichts-boxer; er besiegte sogar Champion George Carpentier in einem Schaukampf!

Zurück in Amerika im Jahr 1913 wurde Hubble in Kentucky zur Anwaltschaft zugelassen und praktizierte als Rechtsanwalt. Jedoch obsiegte sein Interesse für Astronomie; so machte er sich bereit nach Chicago zurück zu gehen, um dort Astronomie zu studieren. Unterdessen kam der erste Weltkrieg dazwischen und Hubble meldete sich bei der US-Armee. Er beteiligte sich an Kampfhandlungen in Frankreich und stieg zum Major auf.

Nachdem der Krieg vorbei war, kehrte er zurück, um seinem Interesse an Astronomie nachzugehen und begann auf diese Art eine höchst fruchtbare Karriere. Hubble war ein sehr scharfer Beobachter und machte viele bedeutende Entdeckungen.

Entdeckung der Expansion des Universums

Zu dieser Zeit hatten Astronomen gezeigt, dass das Universum Milliarden Galaxien enthält. Im Jahr 1942 entwickelte Hubble eine wichtige Methode, die Entfernung von Galaxien zu messen, besonders die weiter entfernten.

Seine größte Entdeckung machte er einige Jahre später, als er herausfand, dass alle Galaxien sich voneinander weg bewegten, was aufzeigte, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnte.

Darüber schrieb Hubble: „[all dies] sollte einen Schlüssel geben bezüglich der exakten Natur des Universums. Es dürfte dann möglich sein ... zu sagen, ob das Universum und der Raum selbst – sich wirklich ausdehnen, und zwar in einer raschen Frequenz und auf eine bemerkenswerte Art. Und schließlich könnte es möglich sein, die Natur der Expansion zu beschreiben und die Zeit zu bestimmen, in der die Entwicklung begann, - das ergäbe sozusagen das Alter des Universums."

Die Vorstellung vom Universum, das sich ausdehnt, war jetzt klar durch Beobachtungen gestützt und das bestätigte, was Einsteins Gleichungen früher vorhergesagt hatten. Als Einstein von Hubbles Entdeckung erfuhr, bereute er seinen früheren Versuch, seine Gleichungen mit der Einführung einer „Kosmischen Konstanten“ in Ordnung zu bringen und nannte diesen Schritt seinen größten Schwindel.

Aber weißt du was? Gott hat verfügt, dass die Kosmische Konstante einen Platz in seiner Schöpfung bekommt; sie ist nun zurück in einer neuen Gestalt, ohne das expandierende Universums zu stören!

Georges Lemaitre entdeckt die Friedman-Theorie nochmals

Es geschah oft in der Wissenschaft in jenen Tagen, dass viele Fakten unabhängig von einander erneut entdeckt wurden von einigen Leuten, vermutlich teilweise auch wegen mangelhafter Kommunikation. Vorher erzählte ich dir, wie Friedman in Russland entdeckte, was Einstein früher herausgefunden hatte, nämlich, dass das Universum einen Anfang haben könnte. Die gleiche Geschichte jetzt noch einmal. Diesmal ist ein belgischer Priester beteiligt, mit Namen Georges Lemaitre.

Er wurde 1894 geboren. Lemaitre besuchte ein Jesuitencollege und trat 1911 für ein Ingenieurstudium der Universität von Louvain bei. Als der Erste Weltkrieg 1914 ausbrach ging Lemaitre in die belgische Armee und wurde wegen Tapferkeit ausgezeichnet. Nachdem der Krieg 1918 vorbei war, nahm er sein Studium wieder auf, wechselte aber vom Ingenieurwesen zu Mathematik und Physik. Gleichzeitig hatte er sich in philosophische Kurse eingeschrieben. Sein Ehrgeiz war es, sich in Physik und in Metaphysik zu spezialisieren!

Im Jahr 1923 schrieb Lemaitre eine These über Relativität und Gravitation; mit dieser Arbeit gewann er von der Belgischen Regierung ein Stipendium, das es ihm ermöglichte nach Cambridge zu reisen. Dort kam er mit einem bekannten Astronomen mit Namen Eddington in Kontakt und dies spornte sein Interesse an der Kosmologie an. Von England reiste Lemaitre nach Amerika, machte dort Bekanntschaft mit vielen Astronomen und verbrachte einige Zeit am bekannten MIT in Boston [ Massachusetts Institute of Technology]. Im Oktober 1925 kehrte Lamaitre in die Universität von Louvain zurück, wo er den Rest seines Lebens blieb.

Bis 1920 hatte sich Lemaitre stark für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie interessiert, die er im Eigenstudium vollständig meisterte. Bis etwa 1925 untersuchte Lemaitre kritisch einige frühe Werke von de Sitter in Kosmologie, ohne dass er Friedmans Werk in Russland kannte, und leitete neue Ergebnisse daraus ab. Er publizierte diese in einer obskuren Zeitschrift - und es überrascht nicht, dass seine Resultate unbemerkt blieben. Im Jahr 1927 gab es in Brüssel [der belgischen Hauptstadt] eine große Konferenz für Physiker; anwesend waren all die „Hohen Tiere", einschließlich Einstein. Als Belgier war Lemaitre selbstverständlich anwesend und er nutzte die Gelegenheit, Einsteins Aufmerksamkeit zu gewinnen und ihm seine Ergebnisse zu beschreiben. Des Meisters Reaktion war kalt. Er sagte ihm schlicht [in Französisch]: „Ihre Rechnungen sind korrekt, aber ihre physikalische Einsicht ist abscheulich.“

Im Januar 1930 gab es ein Treffen der Royal Astronomical Society in London, während der über Hubbles neue Entdeckung, das sich ausdehnende Universum, viel diskutiert wurde. Von all diesen wurde gebührend in der Februarausgabe der Zeitschrift "The Observer" berichtet, die Lemaitre vollständig las. Lemaitre schrieb schleunigst Eddington einen Brief, in dem er ihn an 1927 erinnerte; er hatte ihm seine Abhandlung gesandt, in der er ein sich ausdehnendes Universum vorhersagte. Eddington erinnerte sich, dass er tatsächlich eine Kopie des Papiers empfangen hatte, welches er dann aber völlig vergaß. Das machte er jetzt wieder gut, indem er einen Brief an das Journal „Nature“ schrieb, um Aufmerksamkeit auf Lemaitres brillantes Werk vor drei Jahren zu lenken. Plötzlich wurde Lemaitre eine Berühmtheit.

Im Mai 1931 publizierte Lemaitre in „Nature" eine Abhandlung, in der er anzudeuten wagte, dass das Universum aus einem unendlich kleinen Zustand von Materie-Verdichtung entstanden war, aus dem Ur-Atom, wie Lemaitre es nannte. Diese Explosion des Uratoms war es gewesen, die später die Entwicklung des Universums startete. Lemaitre bezeichnete diese Explosion anschaulicher als „Tag ohne ein Gestern“. Seine Theorie ist auch „Feuerwerkstheorie des Ursprungs“ genannt worden. In mancher Hinsicht entdeckte Lemaitre nochmals, was früher schon von Friedman gefunden worden war, obwohl vielleicht mit ein bisschen mehr Physik, als einfach bloß Kosmologie. Kein Wunder, dass Russen über die Würdigung verärgert sind, die Lemaitre gegeben wird, die aber das Anrecht ihres Wissenschaftlers übersieht.

George Gamow

All dies geschah vor dem Zweiten Weltkrieg. In den Kriegsjahren waren die Grundlagen-Wissenschaften freilich sehr benachteiligt, aber als der Krieg vorbei war, kehrten die Wissenschaftler mit erneuter Kraft zu ihrer Leidenschaft zurück. Es ist jetzt Zeit George Gamow ins Bild zurück-zubringen.

Gamow war, nebenbei bemerkt, ein Student Friedmans und er erreichte frühen Ruhm mit einer glänzenden Arbeit über Radioaktivität. In jenen Tagen war Russland eine straff kontrollierte Diktatur. Gamow empfand diese Atmosphäre zu beengend. Er und seine Frau planten darum zu flüchten. Sie kauften ein kleines Kanu und hamsterten Nahrung für Monate. Dann schafften sie es, Erlaubnis zum Urlaub an einem Hafen am Schwarzen Meer zu bekommen. E ines Tages versuchten sie aus Russland heraus zu rudern - sie hatten dazu fast 250 km zu paddeln und dachten, dass sie dazu in der Lage wären. Aber es gelang nicht; das Kanu wurde vom Sturm ergriffen und achtundvierzig Stunden später zurück an die Küste geblasen! Die Chance, Russland zu verlassen kam zwei Jahre später, als ihn die Regierung nach Brüssel schickte, um eine Konferenz zu besuchen. Von dort erreichte Gamow 1934 Amerika, wo er für den Rest seines Lebens blieb. Während des zweiten Weltkriegs arbeitete Gamow an einem Atombombenprojekt. Er wechselte nach dem Krieg zu Physik und begann sich Gedanken zu machen über den Ursprung der Elemente im frühen Universum.

Baby-Universum

Während Gamow versuchte diese Frage zu beantworten, fand er heraus: dass es zuerst ein Babyuniversum gegeben haben muss. Danach sagte er: dieses Babyuniversum muss eigentlich sehr sehr, heiß gewesen sein. Er vertrat dann die Ansicht, dass dies die ideale Voraussetzung für die Entstehung ("cooking") von kosmischen Elementen war. Etwa um das Jahr 1948 herum argumentierte Gamow in dieser Richtung.

Es lag allein an Gamows fruchtbarem Schaffen, dass die Physiker die Idee von einer konkreten Geburt des Universums zu akzeptieren begannen. Später, dank einer beiläufigen Bemerkung des britischen Astrophysikers Fred Hoyle , gewann der Ausdruck "Big Bang" Verbreitung in Verbindung mit dem Urereignis, das die Entstehung des physischen Universums bezeichnete. Nebenbei, Hoyle selbst glaubte nie an den Urknall; Tatsächlich führte er den Ausdruck in einer etwas sarkastischen Neigung ein, in einem poulärwissenschaftlichen Gespräch im BBC; aber der Name "Big Bang" ist hängen geblieben und der Glaube an das Konzept auch!

Eine wichtige Folgerung aus Gamows Vermutung ist folgende: "OK, das Universum wurde in einem heißen Urknall geboren. Dann muss auch viel Wärme zu dieser Zeit ausgestrahlt worden sein. Wenn das so ist, gibt es jetzt noch immer irgendeine Spur von dieser Hitze?" Das Grundargument zugunsten eines solchen Restes lautet wie folgt: Das Babyuniversum muss äußerst heiß gewesen sein, mit einer Temperatur im Bereich von Billionen [=10^12], ja Billionen von Graden! Also muss die zu dieser Zeit ausgesendete Strahlung auch eine astronomisch hohe Temperatur gehabt haben. Aber, da das Universum sich dann enorm ausgedehnt hat und da Ausdehnung immer Abkühlung bewirkt, muss sich auch die Originalstrahlung enorm abgekühlt haben.

Gamows Studenten schätzten, dass zur gegenwärtigen Zeit die seit dem erhalten gebliebene Strahlung eine Temperatur von etwa 5 Grad absolut haben muss oder umgerechnet minus 268 Grad Celsius! Im Vergleich: die auf der Erde verzeichnete niedrigste Temperatur beträgt minus 60°C. Die Voraussagen, die wir erwähnen, wurden ungefähr im Jahr 1948 gemacht. Im Jahr 1960 entdeckten zwei Wissen-schaftler in Amerika, mit den Namen ArnoPenzias und Robert Wilson, zufällig diese kosmische Hintergrundstrahlung, die aufgrund Gamows Theorie vorhergesagt worden war. Man kann sagen, dass Penzias und Wilson das OM, den Sound der Schöpfung, tatsächlich hörten! Und für ihre [zufällige] Entdeckung erhielten sie später den Nobelpreis! Die Entdeckung dieser kosmischen Hintergrundstrahlung ist ein Meilensteinereignis in der Kosmologie; sie hat klare Beweise geliefert, dass das Universum in einem Ur-Knall entstand.

Drei von Alexander Friedman entdeckte Alternativ-Szenarien

Als Friedman mit Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativität arbeitete und sie auf das Universum anwandte [- das ist zähe Mathematik, muss man sagen! -], stellte er fest, dass es drei mögliche Szenarien gab. Sie sind, wie unten skizziert:

Im Szenarium 1 hat das Universum einen Anfang und dehnt sich danach endlos aus. Im Szenarium 2 ist das Universum geboren, dehnt sich für einige Zeit aus und dann beginnt es zu schrumpfen. Schließlich verschwindet es in einem "großen Krachen", so, wie es im Urknall geboren wurde. Im Szenarium 3 ist das Universum geboren und dann dehnt es sich aus. Jedoch verlangsamt sich die Entwicklung im Verlauf der Zeit und nach buchstäblich unendlicher Zeit hat das Universum eine feste Größe.

Zwei Fragen tauchen auf: a) Warum drei mögliche Szenarien? und b) welches Szenarium gilt tatsächlich für unser Universum? Lass uns mit der ersten Frage beginnen. Die drei Szenarien existieren abhängig vom Maß der im Universum enthaltenen "Materie". Die Angelegenheit ist ein bisschen kompliziert, so dass ich den technischen Einzelheiten aus dem Weg gehen werde. Lasse uns jetzt zu Frage b) wechseln. Nach Jahren der Spekulation will es jetzt so scheinen, dass zu 95 % oder noch mehr das Universum auf Szenarium 3 zusteuern wird. Vielleicht werde ich in einem anschließenden Artikel noch einige Kommentare über diese sehr wichtige Angelegenheit hinzufügen.

Ich habe Dir viel mehr zu sagen, aber das wird bis zum nächsten Mal warten müssen. Nebenbei beachte bitte, dass wir später jenseits von Physik fortschreiten werden zur Metaphysik und dann zu Vedanta usw., obwohl ich mich derzeit mit dem physischen Universum befasse. Auf uns wartet am Ende von all dem die kosmische Unendlichkeit! Es ist ein langer Weg zu beschreiten und es gibt vor uns eine Menge begeisternde Reisen! Bis wir uns wieder treffen: Alles Gute! Jai Sai Ram.

Engl.Original Titel vom Februar 2007

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