Ein Essay von "Sigi" Siegfried Christian Zoeke
Man stelle sich mal vor, man ist einer der größten Denker der Menschheit und macht etwas, das einem Wissenschaftler einfach niemals passieren sollte. Weil die Allgemeinheit damals glaubte, dass das Universum statisch sei und Einstein das auch glaubte, „musste“ er sich die kosmologische Konstante ausdenken.
Jetzt brachte Stephen Hawking einmal eine simple Erklärung, warum das statische Universum einfach nicht sein kann: In der Nacht ist es dunkel!
Würde der Weltraum sich nicht verändern - und folglich schon ewig existieren - müsste das Licht jeden Sterns direkt die Erde erreichen und eine sich in der Sichtlinie befindliche Staubwolke so erhitzen, dass auch diese leuchten würde. Es wäre des nächtens einfach nicht dunkel.
Ein paar Jahre nachdem Einstein also mittels seines Kunstgriffs die Mathematik in Übereinstimmung zum statischen Universum gebracht hatte, konnte 1927 nachgewiesen werden, dass das All expandiert. Das brachte nicht nur uns im Umkehrschluss auf den Gedanken eines Urknalls, sondern auch Einstein dazu, die kosmologische Konstante seine größte Eselei zu nennen.
Als vor 13,8 Milliarden Jahren unsere Welt - und damit Raum und Zeit - aus einer Singularität entstand, breitete sie sich erstmal mit hoher Geschwindigkeit aus. Gemäß E = mc² entstand jedoch nach einiger Zeit durch Abkühlung die erste Materie.
Jetzt bedingt Materie allerdings auch Schwerkraft. Als Folge reduzierte die Gravitation die explosionsartige Ausbreitung nach dem Urknall. Das Tempo der Ausbreitung wurde also im Laufe der Zeit geringer. Ende der 1990er Jahre entdeckten dann die Herren Schmidt, Riess und Perlmutter allerdings, dass sich die Expansionsgeschwindigkeit seit ungefähr fünf Milliarden Jahren wieder erhöht (dafür erhielten sie 2011 den Nobelpreis für Physik). Somit erkannte man nicht nur, dass die Hubble-Konstante (beschreibt die Rate der Expansion) gar keine Konstante ist, sondern es stellt die Wissenschaft auch vor ein riesiges Problem. Von den darauf folgenden Lösungsvorschlägen hat sich einer etabliert.
Die Wissenschaft postuliert eine „dunkle Energie". Eine Energie, welche nicht nur nicht direkt nachgewiesen werden kann, sondern als einzigen sichtbaren Effekt die Beschleunigung der Expansionsrate bewirkt. Auch muss diese dunkle Energie vor Milliarden Jahren dann eher plötzlich aufgetaucht sein.
Allerdings kann man diese Methodik durchaus konsequent nennen, denn schon 1932 vermutete der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort eine „dunkle Materie“ aufgrund seiner Untersuchungen zur Anzahldichte und Geschwindigkeitsverteilung im Bereich der Scheibe der Milchstraße, ebenso wie 1933 der Schweizer Physiker und Astronom Fritz Zwicky bei der Untersuchung eines Galaxienhaufens. Die Gravitation der sichtbaren Materie langt einfach nicht aus, um diesen Haufen zusammen zu halten.
Die US amerikanische Astronomin Vera Cooper Rubin konnte dann im Jahre 1960 darlegen, dass die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen in Spiralgalaxien mit größer werdendem Abstand zum Zentrum viel niedriger sein müsste, als sie tatsächlich beobachtet wird.
Heute können wir angeblich sogar mittels des Gravitationslinseneffekts (Licht wird auf Grund von Schwerkraft abgelenkt) nachweisen, dass es mehr Gravitation geben muss, als durch die tatsächlich vorhandene Materie existieren sollte.
(Stichwort MACHO; wurde von verschiedenen Forschergruppen untersucht; eine, die Macho Collaboration nimmt für sich in Anspruch mehrere Nachweise erbracht zu haben; laut deren Berechnungen könnten sie damit 20% der dunklen Materie innerhalb unserer Milchstraße erklären; dies wird allerdings angezweifelt)
Auch diese ebenfalls nur postulierte dunkle Materie kann lediglich durch ihre Auswirkungen, nicht aber direkt nachgewiesen werden.
Als Quintessenz dieser Überlegungen kommen wir im Moment auf ca. folgende Aufteilung von dem was in unserem Universum „ist“:
68,3 % dunkle Energie
26,8 % dunkle Materie
4,9 % Materie (selbstleuchtende wie Sterne und heiße Gase, nicht leuchtende wie Planeten und kalte Gase, wir selbst, etc.)
Nicht nur, dass unsere Berechnungen im Kosmos wieder stimmen, wenn wir von diesen Annahmen ausgehen, es funktioniert selbst für die Zeit kurz (380.000 Jahre) nach dem Urknall. Allerdings mit einer gänzlich anderen Verteilung (12 % Materie, 63 % dunkle Materie, 15% Photonen und 10 % Neutrinos).
Kommen wir zurück zur Eselei kosmologische Konstante - sie ist wieder da. Sie gilt allerdings nicht mehr als Parameter der allgemeinen Relativitätstheorie, sondern definiert die Energiedichte des Vakuums. In der Verallgemeinerung wird sie als dunkle Energie bezeichnet und entspricht einem ungefähren Wert von 0,7 - was bedeutet, wir haben ca. 70% dunkle Energie im Universum - passt also einigermaßen.
Wie kann jetzt Vakuum Energie beinhalten? Man geht von sogenannten Vakuumfluktuationen aus. Hervorgerufen von virtuellen Teilchen. Virtuell, weil sie in der Vorstellung für einen nicht beobachtbaren kurzen Zeitraum auftreten und wieder verschwinden. Sie sollen Teilchen der klassischen Elektrodynamik (wie Elektronen, oder Photonen) umgeben und die Masse und Ladung der Teilchen verändern. Da sie aber nicht getrennt beobachtet werden können, sind die Auswirkungen in der Beobachtung der Teilchen selbst bereits beinhaltet.
Jetzt wurden verschiedenartige Versuche unternommen, deren Messungen auf Vakuumfluktuationen hindeuten. Die dabei errechneten Werte sind allerdings um ungefähr den Faktor 120 zu gering, um damit die Auswirkungen der dunkle Energie (eben die Expansion des Universums) erklären zu können. Dies nennt man das „Problem der kosmologischen Konstante“.
Wir müssen also zugestehen, dass wir das selbe machen, wie damals Einstein. Wir passen die Formeln so an, dass sie uns passen. Okay, mit einem Unterschied. Gewünschtes Universum gegen ein beobachtetes.
Der oben schon angesprochene Gravitationslinseneffekt wurde von der Relativitätstheorie vorhergesagt und zwar in der From der durch die Gravitation der Körper „eingedellten“ Raumzeit. Viele werden sich an die über einen Ring gespannte Gummimembrane erinnern, in welche eine Kugel gelegt wurde um den Einfluss der Schwerkraft darzustellen. Für die extremsten Form der Raum-Zeit-Krümmumg - das schwarze Loch - ist bekannt, dass es sogar Licht verschluckt. Wir sprechen also von der sogenannten Zeitdilatation durch Gravitation. Oder anders: Eine Uhr am Boden geht langsamer, als die auf dem Berg.
Die zweite Form der Zeitdilatation tritt bei einer relativen Bewegung zueinander auf. Wobei die Effekte erst bei hohen Geschwindigkeiten relevant werden und im Alltag nicht bemerkbar (dennoch messbar) sind. Hierzu zwei Beispiele:
Verwirrend, aber man kann das verstehen, wenn man für beide Beteiligten ein eigenes Bezugssystem anerkennt. Der außen stehende Beobachter steht aus der Sicht des Raumschiffs still (Bezugssystem 1). Bewegt man sich so schnell wie das Raumschiff (halb so schnell wie das Licht ist schon sehr schnell) vergeht die Zeit im Raumschiff sehr langsam (Bezugssystem 2). Zumindest aus der Sicht des Beobachters. Für die Besatzung des Schiffs läuft alles natürlich ganz normal ab. Deswegen sehen sie „ihren“ Laser sich auch mit Lichtgeschwindigkeit entfernen. Werfen Sie allerdings einen längeren Blick auf den Beobachter, dann „altert“ dieser viel schneller als sie selbst.
Zurück zu Vera Cooper Rubin die darlegen konnte, dass die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen in Spiralgalaxien mit größer werdendem Abstand zum Zentrum viel niedriger sein müsste, als sie tatsächlich beobachtet wird. Halt einer der Gründe für die Annahme, dass es dunkle Materie gibt. Nehmen wir jetzt allerdings die Zeitdilatation durch Gravitation, vergeht ja die Zeit nahe des Zentrums der Galaxie langsamer und am Rand schneller.
Befinde ich mich also auf einem Stern auf einer inneren Laufbahn lege ich im Zeitraum „t“ nur einen Weg „x“ zurück, während ein Stern auf einer äußeren Laufbahn aus meiner Sicht innerhalb der selben Zeit einen Weg „x“ + irgendwas zurücklegt.
Kommen wir zu Fritz Zwickys Galaxiehaufen. Auch hier reicht die sichtbare Materie ja nicht aus, so einen Galaxiehaufen zusammen zu halten. Natürlich würde die Gravitation alles auf einen Punkt zusammen fallen lassen, würde die Fliehkraft nicht dagegen wirken. Eventuell spielt ja auch hier die Zeitdilatation eine Rolle.
Was die sich steigernde Expansionsgeschwindigkeit das Alls angeht würde ich die Zeitdilatation durch Bewegung postulieren. Das Universum dehnt sich aus. An den vom Ursprungspunkt weiter entfernten Punkten schneller wie im inneren Bereich (Die bremsende Wirkung der Schwerkraft wirkt sich innen stärker aus, da dort die Galaxien ja näher beieinander sind). Die Zeit vergeht also im „Außen“ langsamer wie innen.
Jetzt besitzt jede bewegte Masse einen Impuls. Der Impuls ist eine vektorielle Größe, wird also auch mit einer Richtung definiert. Die Formel für Impuls lautet: kg * m * s-1 (also Masse mal Strecke mal Zeit)
Wenn die Zeit also für ein Objekt langsamer vergeht, der Impuls aber gleich bleibt, bewegt sich dieses Objekt innerhalb seines eigenen Bezugssystem weiterhin gleich schnell, von außen betrachtet wird es aber um so schneller, je langsamer seine Zeit vergeht. Ein sich selbst verstärkender Effekt.
Natürlich bin ich kein Astrophysiker. Mir ist nur aufgefallen, dass bei den Diskussionen um die sich beschleunigende Expansion des Universums und den Differenzen zwischen den Beobachtungen und Berechnungen der Gravitation von Galaxien irgendwie das Thema Zeitdilatation außer acht gelassen wird. Vielleicht brauchen wir also gar keine dunkle Materie und keine dunkle Energie, damit unsere Formeln stimmen. Vielleicht liege ich aber auch einfach falsch.