Gedanken zur Kosmologie

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Wolfram Fischer

Gedanken zur Kosmologie

unten: Ausführungen von Dr. Ulrich Bastian

Universelle Theorien sind die größte Zumutung, aber auch die größte Herausforderung des menschlichen Geistes! Die Wissenschaft ist daher mit Recht Stolz darauf, die Natur heute im ganz Großen und ganz Kleinen mit in sich konsistenten Standardmodellen beschreiben zu können. "Konsistenz" bedeutet, dass die Vielzahl an Fakten und Gesetzmäßigkeiten widerspruchsfrei ineinander greifen. Erstmals ist der Mensch in der Lage, auf wissenschaftlicher Grundlage, eine Vorstellung von der "ersten bis zur letzten Sekunde" der Entwicklung des Universums aufzuzeigen.
Als Astroamateur und außerhalb dieser Forschungen stehend, nehme ich diese wissenschaftlichen Ergebnisse mit Interesse zur Kenntnis, auch ihre anwachsenden Probleme, die vielleicht das Heranreifen einer neuen Physik und Weltsicht einläuten. Könnte nicht alles noch ganz anders sein?
In hundert Jahren wird man über vieles, das heute mit dem Brustton tiefster Überzeugung verkündet wird, nur noch lächeln. (Uns kann trösten, in 200 Jahren werden dann die belächelt, die uns heute in hundert Jahren belächeln, usw. usw..) Kosmologen täten gut daran, nicht vom Kosmos zu sprechen wie er angeblich sei, sondern wie er beim Stand des Wissens interpretierbar ist, uns heute erscheint!

Mich interessiert vor allem der weltanschauliche Gesichtspunkt. Geniale Theorien oder Modelle mögen zutreffende Vorhersagen gestatten. Geschieht da aber weltanschaulich genau das? Theorien sind nicht die Natur selbst! Theorien haben ihre Gültigkeit, bis ihre Grenzen oder ihre Fehlerhaftigkeit erkannt werden. Dies ist das Dilemma, aus dem heraus die Wissenschaft das Universum beschreiben muss.
Auch die Epizykeltheorie des Ptolemäus umriss wunderbar das offensichtliche Himmelsgeschehen und gestattete, für damalige Ansprüche, ausreichend genaue Vorhersagen der Planetenbewegungen. Dennoch war diese Theorie weltanschaulich falsch.
Heute dreht sich alles um "Einstein". Seine Theorien waren im Makrokosmos unglaublich erfolgreich. (Nur im Quantenbereich liefert die ART total falsche Ergebnisse.) Astronomische Beobachtungsergebnisse + "Einstein", das war die Rezeptur für das heutige Standardmodell der Kosmologie.
Der Urknall ist darin Ausgangspunkt universellen Geschehens. Unabhängig davon sprechen Astronomen auch wie selbstverständlich über Schwarze Löcher, als könnte man diese wie auf Computergrafiken sehen.
Kurios daran ist, dass die Erscheinungen "Urknall" und "Schwarze Löcher" sich eigentlich gegenseitig physikalisch ausschließen. Wenn es einen Urknall gab, dürften keine Schwarzen Löcher existieren. Gibt es aber Schwarze Löcher, dann sollte es den Urknall nicht gegeben haben!

Schwarze Löcher, eigentlich theoretische Gebilde, (die "simpelste" Lösung der Gleichungen der ART), dienen heute vielerorts zur Beschreibung astrophysikalischer Hochenergiephänomene. Ohne sie kämen Astrophysiker gewaltig in Erklärungsnot. In fast jedem Galaxienkern wird heute solch ein Riesenmoloch vermutet. Wissen wir aber wirklich, ob die Natur derart extreme Materieverdichtungen überhaupt zulässt? Hiermit lässt uns "Einstein" im Regen stehen.
Wenn es sie aber gibt, sind Schwarze Löcher destruktive Materiegräber. Nichts, (bis auf winzige Verluste durch die Hawking-Strahlung), kann der gravitativen Umklammerung entrinnen. Das ist die Konsequenz der Einsteinschen Gleichungen. Keine Energie der Welt wäre in der Lage, diese Fessel zu sprengen!
Kann daran unser Unwissen über den Materiezustand innerhalb des Ereignishorizonts etwas ändern? Wohl nicht, denn entweder hat ein Schwarzes Loch genau diese Eigenschaft oder es ist keins!

Der Zustand vor dem Urknall soll nach dem Standardmodell eine punktförmige, (eindimensionale, unendliche, herrlich theoretische) Verdichtung gewesen sein. Also die Materie von vielleicht 100 Milliarden Galaxien (+ Dunkler Materie) in dem winzigen Einstich, den ein Zirkel in einem Blatt Papier hinterlässt. Auch wenn man geneigt ist, das nicht so ernst nehmen zu wollen, hätte es sich hier natürlich unweigerlich um das ultimative Schwarze Loch schlecht hin gehandelt, das eins mit Sicherheit nicht tun konnte, auseinander fliegen. Und wenn doch, sollten dann nicht alle Schwarze Löcher explodieren können? Kann man dann überhaupt von solchen reden?
Wenn mir das jemand plausibel machen kann, bin ich gern bereit mich mit der Urknallthese weltanschaulich anzufreunden.
Hyperunendliche Energien wären erforderlich, hyperlichtschnelle Ausbreitung (Inflationshypothese)...?
So richtig verstehe ich nicht, wie Astrophysiker, die permanent von Einstein reden, mit dieser Absurdität leben können? Wo ist da die Konsistenz?
Es heißt, der Urknall übersteige die Gültigkeit der heutigen physikalischen Theorien. Sollte man nicht treffender, für jeden verständlich, Klartext reden: "Nach heutigem physikalischen Verständnis ist der Urknall eine Unmöglichkeit, aber..."
Und nun kommen die astronomischen Beobachtungsbefunde, die dafür sprechen, den Urknall ohne seine Erklärbarkeit anzunehmen.
Es gibt nur leider keine astronomischen Beobachtungsfakten, die frei von Annahmen und Auslegungen sind! Nimmt man Annahmen und Auslegungen heraus, liefern die eigentlichen Beobachtungen ein eher klägliches Bild.
Natürlich stützte Ptolemäus sich auch auf unbezweifelbare Beobachtungstatsachen. Natürlich dreht sich der Sternenhimmel um die Erde. Genauso unbezweifelbar ist heute die Rotverschiebung der Galaxien, das schwache Radiorauschen bei λ = 1 mm, ect. ect...
Was wir daraus machen, ist etwas ganz anderes.

Wenn wir die Rotverschiebung der Galaxien aber als Fluchtbewegung interpretieren, ist diese bekanntermaßen kein eindeutiger Beleg für den Urknall! Aus dem Hubble-Gesetz lässt sich kein gemeinsamer Ursprungsort für die kosmische Expansion ableiten. Jeder Beobachter im All hat den Eindruck, im Mittelpunkt der Galaxienflucht zu stehen.
Man weiß heute, dass Weltmodelle, die primär von der Gravitation bestimmt werden, nur kollabieren oder expandieren können. Ein statisches Weltall funktioniert nicht.
Wenn wir also davon ausgehen, dass das Universum expandiert, sollte man nicht möglichst nach einem Modell suchen, das im Ursprung der Welt die Singularitätsfalle vermeidet?

Ich habe natürlich darauf nicht wirklich eine Antwort, nur Ideen die physikalische Prinzipien voraussetzen, die nicht bekannt sind. Vielleicht ist es aber dennoch interessant, wenigstens in Gedanken einmal durchzuspielen, was möglicherweise damit erklärbar sein könnte:

Raum ist ja seit Einstein nicht bloß Bühne physikalischen Geschehens, sondern durch Masse und Energie selbst strukturiert. Nach modernen quantentheoretischen Vorstellungen haben wir uns den "Leeren Raum", das Vakuum des Weltalls, als eine einzige wabernde Masse virtueller Teilchen vorzustellen.
Was wäre, wenn physikalische Prozesse, z.B. bei der Umwandlung von Materie in Strahlung, genau jene virtuellen Teilchen erzeugten, die den Raum bilden, bzw. neuen entstehen ließen?
Diese virtuellen Teilchen müssten die Eigenschaft haben, nicht irgendwohin zu strömen, sondern in ihrer Wahrscheinlichkeit selbst ein Ort im Raum zu sein. Die Raumausdehnung geschähe über einen Verdrängungsmechanismus (Impuls) unter diesen Teilchen, der in der Summe als gewaltige Kraft das Universum chaotisch auseinander treibt. Die dabei freigesetzte Energie, im Kosmos verdünnt, könnte vielleicht seine Temperatur von 2,7 K in neuer Sicht erscheinen lassen.

Die Strahlung der Galaxien erzeugte so Raum, ihr Auseinanderstreben. Ein gemeinsamer Ursprungsort der Materie würde vermieden, was aber ein ähnliches Alter in großem Maßstab nicht ausschlösse.
Versucht man die Expansion des Universums nicht über ein einmaliges Ereignis zu erklären, sondern sähe dahinter einen dynamisch fortlaufenden Prozess, würden natürlich beschleunigte oder gebremste Expansionsgeschwindigkeiten ohne Erklärungsnöte (Dunkle Energie) verständlich.

Ursprungsorte der Materie könnten die Galaxienkerne selbst sein, in denen, während eines möglicherweise obligatorischen Quasarstadiums, unter unbekannten physikalischen Prozessen, die baryonische Materie gebacken wird. Unter gewaltigen Energieleistungen und Raumbildungsraten könnte dort die Materie ihre heiße Ursprungsphase durchlaufen, entstünden Wasserstoff und 10% Heliumanteil.
(Es ist natürlich lächerlich, auch noch über den Grund dafür zu spekulieren,...etwa kurzschlussartige Kontakte der chaotisch verformten Raumzeit mit einer höheren Branendimension oder so etwas...)

Die aus den Kernen geschleuderte Materie bildete schließlich (im Rasensprenklerprinzip) die typischen Spiralarme.
Innerhalb der Galaxien (und auch im Sonnensystem) hätten ungleiche Raumbildungsraten über Jahrmilliarden auch dynamische Effekte zur Folge. Die Raumbildung wäre in der zentralen Bulge am stärksten. Die Sterne entfernten sich, unter Beibehaltung ihrer Bahnenergie, immer mehr vom Zentrum.

Vorsicht!

Der Autor ist sich bewusst, dass die eingangs ausgeführten Gedanken prinzipiell nicht neu sind. Die alternative Modellidee im 2. Teil basiert lediglich auf geringer Detailkenntnis und Intuition...

Leipzig, den 01.12.2007

Ausführungen des Astronomen Dr. Ulrich Bastian, Heidelberg, u. a. Redaktionsmitarbeiter der Zeitschrift "Sterne und Weltraum":

Lieber Herr Fischer,

Ihr Unbehagen am "Urknall", in dem Sinne wie Sie ihn beschreiben, ist berechtigt und wird von vielen Profis geteilt. Stellen Sie Ihre Überlegungen ruhig auf Ihre Webseite. Denken ist nicht verboten, nur Besserwisserei sollte man vermeiden. Dazu neigen Sie nicht, und das tun Sie mit Ihren Überlegungen ganz explizit nicht.

Lassen Sie mich trotzdem, wie gewünscht, einige Anmerkungen machen.

1) Die Urknall-Singularität ist eine Extrapolation, die durch nichts verlangt oder erzwungen wird. Schon deutlich "davor" endet sowohl jeglicher gegenwärtige Beobachtungsbefund als auch jegliche gegenwärtige Physik zur Interpretation oder Extrapolation. Das, was man vernünftigerweise als den beobachteten Urknall betrachten sollte, sind für mich drei Dinge:

- die Rotverschiebung der Galaxien und die Hubble-Relation (z=0 bis z=5), d.h. die Expansion

- die kosmische Hintergrundstrahlung (z=1000), d.h. eine homogene ca. 3000 K heiße Phase des Universums

- die primordialen Elementhäufigkeiten (z=10 hoch 8), d.h. eine ca. 100 Millionen Grad heiße Phase

Und vielleicht noch, viertens, die Fluktuationen der Hintergrundstrahlung, als großartiges Indiz für die aus anderen Gesichtspunkten postulierte rasche und extreme Inflation zu einem früheren Zeitpunkt. Es gibt auch Kosmologien ohne Singularität, aber mit Urknall in diesem, meinem Sinne.

2) Ihr Argument, wenn man so viel Materie auf so kleinen Raum presst, dann müsse das ja ein Schwarzes Loch sein und einen Ereignishorizont haben, ist nicht stichhaltig. Das Schwarze Loch ist die kugelsymmetrische inhomogene Lösung der Feldgleichungen. Die Robertson-Walker- bzw. Friedmann-Universen sind die homogenen und isotropen Lösungen der Feldgleichungen. Diese stehen unabhängig nebeneinander, und man kann nicht aus Eigenschaften der einen auf Eigenschaften der anderen hin argumentieren. Dennoch haben Sie am Ende Recht: Aus einem Friedmann-Universum kommt auch nix raus.

3) Der Denkansatz Ihrer Alternativ-Kosmologie, mit den Quasaren als "Ursprung" des Universums und der Materie und einer irgendwie von dort ausgehenden Expansion ist früher auch von professioneller Seite öfters angepackt worden. Aber der überwältigende heutige Schatz an Beobachtungsbefunden macht es doch sehr viel wahrscheinlicher, dass die Materie vorher da war und sich dort nachträglich ansammelt.

Ich habe Ihnen in den Anlagen noch zwei frühere Antworten von mir an andere Leser angefügt, die sich mit ähnlichen Gedanken befassen. Sie können meine Texte verwenden.

Schöne Grüsse,

Ulrich Bastian

Ausschnitte aus Antworten von Dr. Ulrich Bastian an andere SuW-Leser

Die Redaktion erhält öfters Leserbriefe dieser Art. Zumeist befassen sich ihre Autoren mit Kosmologie oder Relativitätstheorie. Und sehr oft appellieren Sie an den "Mut'', den die Redaktion aufbringen solle, doch auch einmal der Meinung der etablierten Wissenschaft zu widersprechen. Viele von ihnen unterstellen dem Wissenschaftsbetrieb, er neige zur Aufstellung von Dogmen und zur Unterdrückung abweichender Ansichten, und sie bezweifeln, dass die Wissenschaft sich an empirischen Befunden orientiert.

Dies ist ein Missverständnis. Theorien und Paradigmen werden in der Forschung nicht als Dogmen aufgestellt, sondern als Werkzeuge zum Ordnen und Verstehen des zunächst unübersichtlichen Erscheinungsreichtums der Natur. Es ist geradezu das Prinzip moderner Wissenschaft, Theorien und Paradigmen ständig durch Messungen zu hinterfragen und auf die Grenzen ihrer Gültigkeit abzuklopfen. Die meisten Experimente und Beobachtungen führen zwar zur Bestätigung bisheriger Grundannahmen, aber es sind doch genau die im wahren Wortsinn "umwerfenden'', die überraschenden, die zunächst unverständlichen empirischen Befunde, die die meiste Neugier und Begeisterung hervorrufen, die auch wissenschaftliche Ehre und Anerkennung bringen. Das gleiche gilt für theoretische Interpretationen, die auf ganz neue, bessere Art die Beobachtungen deuten --- und damit alte Theorien über den Haufen werfen.

Es ist in den Wissenschaften immer wieder vorgekommen, dass ein Amateur (das Wort ist bei SuW absolut nicht negativ besetzt!) eine wichtige Tatsache eher erkennt als die Profis des jeweiligen Fachs. Als Beispiele kann man die Eiszeiten, die Kontinentalverschiebung, die außerirdische Herkunft von Meteoriten oder die historische Realität von Troja nennen. Das sind aber Ausnahmen. Im Allgemeinen beruhen die Kernaussagen der "etablierten Wissenschaft'' auf einem großen Schatz von empirischen Befunden, die der Amateur nicht ohne weiteres nachprüfen oder erweitern kann. Das soll nicht heißen, dass die Leser glauben müssen was in SuW steht: Irrtümer, Fehldeutungen, verpasste Chancen und offensichtliche, aber dennoch übersehene Erfahrungstatsachen usw. usw. gehören in der Wissenschaft zum Geschäft, wie in jedem anderen menschlichen Wirkungsbereich auch.

Es ist nicht mangelnder Mut, wenn SuW solche Zuschriften oder Meinungen zumeist nicht abdruckt, sondern Ergebnis sachkundiger Einschätzung. Im konkreten Falle von Herrn ... ist vor allem zu erwidern, dass der SuW-Artikel von Tobias Kühnel und Matthias Bartelmann keineswegs behauptet, dass der Urknall alleine aus den beiden kosmologischen Grundannahmen folgt. Zweimal werden in dem Artikel Universen ohne Urknall sogar ausführlich diskutiert. Auch die Geschichte der Kosmologie widerspricht zutiefst dem Verdacht, dass der Urknall leichtfertig als Dogma eingeführt worden oder lediglich aus den beiden genannten Annahmen abgeleitet sei. Großräumige Isotropie und Homogenität als kosmologischen Grundsatz gab es bereits Jahrzehnte bevor die Galaxienflucht ernsthaft zur Kenntnis genommen wurde. Und nochmals dauerte es Jahrzehnte, bis durch die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung die auf den ersten Blick schauderhafte und unphysikalische Vorstellung von einem feurigen Anfang unseres Universums sich durchsetzte. Zuvor waren, zum Beispiel von Einstein sowie von Hoyle und Kollegen, energische Versuche unternommen worden, sie zu umgehen.

Ulrich Bastian

Lieber Herr ...,

natürlich sind die Dunkle Materie und die Dunkle Energie unheimlich. Auch für Big-Bang-Kosmologen. Natürlich ist dieser heiße und dichte Anfang nicht gerade erfreulich für einen Astronomen, weil er mit heutiger Physik eben nicht komplett beschreibbar ist. Natürlich muss da noch was kommen. Natürlich versteht heute niemand, was der Big Bang wirklich bedeutet.

Aber das gibt es auch in anderen Bereichen der Physik:

Genauso unheimlich und unphysikalisch sind die lokalen Singularitäten in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Und offenbar gibt es Schwarze Löcher ja tatsächlich ganz konkret da draußen im Universum, nicht nur in Schwarzschilds und Einsteins bzw. Lemaitres und Kerrs Gleichungen. Auch hier ist die Physik noch unvollständig. Und auch dieses Thema, d.h. die Unversöhnlichkeit von Quantenmechanik und Rel.-Theorie, lässt eigentlich keinen Physiker ruhig schlafen.

Ich möchte niemanden davon abhalten, über diese Gruppe bzw. Gruppen zu berichten, aber es ist wirklich eine Splittergruppe innerhalb der heutigen Astronomie/Kosmologie. Ich habe den Text in N.Sc. gelesen. Er geht von richtigen und hehren Prinzipien aus, wird dann aber verkürzend und demagogisch.

Es ist einfach nicht wahr, dass der Big Bang keine Voraussagen gemacht habe. Die Hintergrundstrahlung wurde drei Jahrzehnte vor ihrer Entdeckung vorausgesagt, und zwar bei der richtigen Temperatur. Die absolute Planck-artigkeit ihres Spektrums ist ebenfalls eine quantitative Voraussage, die außerhalb eines Friedmann-Universums nur verdammt schwer zu erklären ist. Und so weiter, und so weiter. Oder wie ist es mit der Krümmung null nach der Inflation, mit der Größenordnung (nach Amplitude und Skalenlänge) der Fluktuationen in der Hintergrundstrahlung? Sind das keine quantitativen Voraussagen? Der Big Bang mit Inflation wäre mausetot, wenn WMAP nix gefunden hätte...

Ich fände es großartig und faszinierend, und es gäbe bestimmt Nobelpreise dafür, wenn der Big Bang aus der Weltgeschichte verschwände. Jeder wirkliche Naturwissenschaftler ist am meisten von den Paradigmenwechseln fasziniert.

Aber das Universum ist in den letzten 10 Mrd J. tatsächlich gealtert. Modelle ohne echte Entwicklung können natürlich, genau wie das Big Bang Modell, Zusatzparameter und Hypothesen einführen, um neue Befunde wie die Expansion, die Hintergrundstrahlung, deren Fluktuationen usw. usw. zu erklären. Sie haben es aber sehr schwer, (um mal ganz diplomatisch zu sein), die morphologische Entwicklung der Galaxien oder die hundertfach größere Häufigkeit von Quasaren (pro mitbewegtem Volumen) bei z=1 im Vergleich zu heute zu erklären. Oder die Entwicklung des Lyman-alpha-Waldes mit z.

Übrigens: Die Dunkle Materie ist nicht nur ein kosmologisches Phänomen. Wir haben es hier vor unserer Haustür: In der Rotation des Andromedanebels, in den Bewegungen der Galaxien im Virgohaufen, im heißen Gas anderer benachbarter Galaxienhaufen, ...

Und so weiter und so weiter.

Diese sehr ausführliche Antwort an Sie ist nicht nur für Sie geschrieben worden, sondern ich habe Ihre Frage als Anlass genommen, auch für mich selbst die Sache nochmals durch zudenken.

Schöne Grüsse,

Ulrich Bastian