100 Jahre dynamisches Universum

Der Galaxienhaufen MACS J0416.1-2403 im Sternbild Eridanus, rund fünf Milliarden Lichtjahre entfernt. Seine Rotverschiebung (z = 0,397) legt nahe, dass das Universum sich ausdehnt – ein Effekt, den Willem de Sitter schon vor einem Jahrhundert entdeckt hatte. (Foto: NASA, ESA, J. Lotz/STScI, HFF-Team)

1917 überraschte der Astronom Willem de Sitter Albert Einstein mit einem kuriosen Weltmodell, das Einstein lange und vergeblich bekämpfte. Später zeigte sich, dass es einen Weltraum charakterisiert, der sich ewig ausdehnt. Noch heute ist das Modell aktuell – als Beschreibung der Anfangszeit und der fernen Zukunft des Alls.

Am 31. März 1917 reichte Willem de Sitter, Astronom der Sternwarte im holländischen Universitätsstädtchen Leiden, einen Artikel bei der Königlichen Akademie der Wissenschaft in Amsterdam ein, der sich im Rückblick als wissenschaftlicher Paukenschlag erweisen sollte. Er wurde im 19. Band auf den Seiten 1217 bis 1225 gedruckt, doch zunächst kaum beachtet. Ein ausführlicher Text auf Englisch erschien im November 1917 im Band 78 der "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" mit dem Titel "Einstein's theory of gravitation and its astronomical consequences. Third paper". Es war der dritte Teil einer Serie, die die Allgemeine Relativitätstheorie erstmals in der englischsprachigen Welt bekannt gemacht hatte. Doch hier stellte der Astronom eine originelle Eigenleistung vor, die bis heute in der Kosmologie von großer Bedeutung ist.

De Sitter war mit Einstein befreundet, der mehrfach in Leiden Vorträge und Vorlesungen gehalten hatte. Tatsächlich wurden dort schon früh viele Arbeiten zur Relativitätstheorie verfasst, nicht nur von de Sitter. Es waren auch die Diskussionen in Leiden, die Einstein veranlasst hatten, im Februar 1917 erstmals die Allgemeine Relativitätstheorie auf das Universum als Ganzes anzuwenden. Dabei komplettierte er die im November 1915 gefundenen Gleichungen seiner Gravitationstheorie mit der Kosmologischen Konstanten (bis heute die beste und einfachste Erklärung, warum sich der Weltraum immer schneller ausdehnt). Und er formulierte das Modell eines statischen, endlichen, aber unbegrenzten Universums (hier die Würdigung dieses Jahrhundertereignisses). Das war der Beginn der modernen Kosmologie.

Einstein war nicht erfreut

Doch Einsteins geniale Idee bekam schon wenige Wochen später Konkurrenz. Am 20. März 1917 teilte ihm de Sitter – im Ersten Weltkrieg damals schwer an Tuberkulose erkannt – in einem Brief mit, er habe eine andere kosmologische Lösung der Einstein-Gleichungen entdeckt. Sie beschreibt ein Universum ganz ohne Materie, das von der Kosmologischen Konstante beherrscht wird. "Ich bin neugierig, ob Sie sich mit dieser Beschauungsweise vereinigen können", schrieb de Sitter an Einstein und bevorzugte seine Lösung – das zweite relativistische Weltmodell überhaupt! – gegenüber Einsteins Idee. Der hielt das aber für "reine Geschmacksache".

Einstein antwortete gleich am 24. März. Er glaubte nicht, dass das Modell eine „physikalische Möglichkeit" darstellte. "Es wäre nach meiner Meinung unbefriedigend, wenn es eine denkbare Welt ohne Materie gäbe." Die "materielle Bedingtheit der Geometrie" sei "der Kern dessen", was er "unter der Forderung von der Relativität der Trägheit verstehe". Um diese zu erfüllen, hatte er im Vormonat die Kosmologische Konstante überhaupt erst eingeführt. Dass sie sich als Pyrrhus-Sieg oder gar Eigentor erweisen würde, wollte er nicht akzeptieren.

Daraufhin entbrannte ein monatelanger wissenschaftlicher Disput – menschlich aber respektvoll und freundschaftlich –, in dem Einstein de Sitter mehrfach Fehler nachzuweisen können glaubte. Letztlich musste Einstein aber zugeben, dass das Modell widerspruchsfrei ist, auch wenn es seinen Grundüberzeugungen widersprach.

Verpasste Gelegenheit

Wissenschaftshistorisch geradezu tragisch ist, dass sowohl Einstein als auch de Sitter eine kühne Voraussage hätten treffen können, die wenig später eine der größten Entdeckungen in der Geschichte der Naturwissenschaft wurde: die Ausdehnung des Weltraums. Entgegen Einsteins und dann auch de Sitters Annahme, kann das Universum nämlich nicht statisch sein. Doch die theoretischen Vorurteile waren zu stark.

So blieb diese triumphale und rein gedankliche Voraussage der Dynamik des Weltalls anderen Kosmologen vorbehalten: Alexander Friedmann (ab 1922), Georges Lemaître (ab 1925) und Howard P. Robertson (ab 1928). Dabei hatte de Sitter sein Modell nicht nur in statischen, sondern später auch in dynamischen Koordinaten formuliert. Und er diskutierte bereits 1917 die ersten Messungen der spektralen Rotverschiebungen von Galaxien. Allerdings war die Datenbasis damals noch unzureichend. Der Astronom Edwin Hubble vom Mount Wilson Observatory wies erst um 1924 definitiv nach, dass die Nebelflecken am Himmel nicht zur Milchstraße gehören, sondern eigenständige Sternsysteme sind. Und 1929 erkannte er dann aufgrund ihrer Rotverschiebungen, dass die Galaxien sich voneinander entfernen, wie es in einem expandierenden Universum zu erwarten ist – und erklärte das zuerst tatsächlich mit dem Verweis auf de Sitters Weltmodell.

 

Die ersten Weltmodelle der Allgemeinen Relativitätstheorie: Links Albert Einsteins Zylinderuniversum mit einer universellen kosmischen Zeit, rechts das von Willem de Sitter beschriebene materiefreie Hyperboloid-Modell. Es widerlegte Einsteins Auffassung von der Unmöglichkeit einer „leeren" Raumzeit. Einsteins endliche, sphärisch gekrümmte, statische Welt könnten Licht und Raumschiffe im Prinzip umrunden und an den Ausgangsort zurückkehren. Doch dieses Universum ist nicht stabil, sondern kleinste Störungen würden es kollabieren oder expandieren lassen, das heißt den projizierten Kreisumfang ändern. De Sitters Welt ist dagegen dynamisch: Zwei Testteilchen hätten darin auf Dauer keinen konstanten Abstand. (bdw-Grafik K. Marx, Quelle: R. Vaas)

 

Willem de Sitter wandte sich aufgrund von beruflichen Pflichten – er baute die Sternwarte Leiden aus und war lange Präsident der Internationalen Astronomischen Union – erst wieder in den 1930er-Jahren der Kosmologie zu. Der Astrophysiker Arthur Eddington nannte ihn deshalb den Mann, der ein Universum entdeckt hatte und es vergaß. Nach Hubbles Messungen akzeptierte er wie Einstein das nichtstatische, expandierende Universum rasch. 1932 schrieben sie sogar eine gemeinsame Arbeit darüber, die lange eine Standardreferenz war. 

Die Aktualität von de Sitters Schöpfung

Willem de Sitters Modell ist keine kosmologische Kuriosität, wie Einstein immer dachte, sondern bis heute relevant. Einige Tausend wissenschaftliche Artikel sind dazu publiziert worden, über 100 allein in den ersten drei Monaten 2017. Das hat auch damit zu tun, dass das Modell einerseits die einfachste kosmologische Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie mit konstanter Krümmung ist. Und andererseits beschreibt es überraschenderweise in guter Näherung sowohl die ferne Zukunft unseres Universums als auch seine hochdynamische Anfangsphase. 

Obwohl die De-Sitter-Lösung einem scheinbar unrealistischen, weil materiefreien Universum entspricht, ist sie äußerst nützlich. Zum einen soll das Universum unmittelbar nach (oder vor) dem Urknall überlichtschnell expandiert sein. Diese Kosmische Inflation lässt sich näherungsweise mit einem De-Sitter-Modell mit großer positiver Kosmologischer Konstante beschreiben, weil sie effektiv antigravitativ wirkt. Zum anderen dehnt sich der Weltraum gegenwärtig immer schneller aus (wenn auch langsamer als bei der Inflation). Das kann ebenfalls durch die Kosmologische Konstante erklärt werden und führt dazu, dass das Universum immer leerer wird, sich also dem De-Sitter-Raum rasch annähert.

Weil er beschleunigt expandiert, sieht jeder Beobachter darin einen schrumpfenden Horizont. Das entspricht formal einem Schwarzen Loch ringsum. Und weil die gekrümmten Raumzeiten von Schwarzen Löchern aufgrund von Quanteneffekten Strahlung abgeben, wie Stephen Hawking 1974 entdeckt hat, muss das analog auch für den Horizont eines De-Sitter-Universums gelten. Das hat Hawking 1977 zusammen mit Gary Gibbons berechnet. Ein solches Universum kann sich also nicht bis auf den Absoluten Nullpunkt abkühlen, sondern besitzt mindestens eine Temperatur von 10 hoch minus 29 Kelvin. Damit ist der vollkommene Kältetod unmöglich! Das Universum wird aufgrund von Quantenfluktuationen auch in der Ewigkeit noch alle Möglichkeiten in sich tragen und kann sich sogar selbst erneuern.

Mehr zu de Sitters Weltmodell, Einsteins Kritik und zu den kosmologischen Konsequenzen steht im ausführlichen siebenseitigen Artikel "Das dynamische Universum wird 100", der in der am Kiosk erhältlichen April-Ausgabe von bild der wissenschaft erschienen ist.

Rüdiger Vaas ist Astronomie- und Physik-Redakteur bei bdw. Zu Einstein und der Relativitätstheorie hat er mehrere Bücher publiziert – zuletzt Jenseits von Einsteins Universum, außerdem Einfach Hawking!

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