Die Tristesse der Physiker

Die Astrophysik, sprich Kosmologie, befindet sich in der Krise. Und mit ihr die Teilchenphysik. Seit Jahrzehnten gibt es kaum nennenswerte Fortschritte. Und selbst das sogenannte Higgsteilchen - vor wenigen Jahren erst am Beschleuniger des CERN entdeckt - wird von manchem Kernphysiker mit Skepsis beäugt: wegen seiner unerwartet großen Masse passt es so gar nicht in das wohlproportionierte Tableau der 25 Kernteilchen und Kräfte in der Standardtheorie.

Das war von einem guten Jahrhundert noch ganz anders. Zu jener Zeit gab es am Berner Patentamt in der Schweiz noch einen hierarchisch ganz tief angesiedelten "Experten 3. Klasse", der - neben seiner Haupttätigkeit, der Prüfung eingereichter Patentanträge - in dem einzigen Jahr 1905 gleich zwei Entdeckungen (nebenher) machte, die man heute noch als "weltbewegend" bezeichnen darf. Albert Einstein hieß der 25-Jährige, welcher in diesem Wunderjahr der Physik den "Photoeffekt" entdeckte und noch dazu die "Spezielle Relativitätstheorie" (SRT) aufstellte. Für den erstgenannten Effekt erhielt er 1921 den Nobelpreis der Physik; die spezielle Relativitätstheorie postulierte richtig, dass die Insassen einer abfliegenden Rakete weniger schnell altern als die Zurückgebliebenen.

Aber damit hatte der junge Mann sein Pulver noch nicht verschossen. Nur zehn Jahre später, nun Professor (ohne Lehrverpflichtung) an der Universität Berlin, veröffentlichte Einstein dort sein Hauptwerk, die "Allgemeine Relativitätstheorie" (ART). Sie deutet die Schwerkraft als geometrische Eigenschaft des gekrümmten vierdimensionalen Raums und beschreibt das Wechselspiel zwischen Materie sowie Raum und Zeit. Beide Relativitätstheorien wurden bis heute mehr als hundert Mal experimentell bestätigt und bilden die Säulen der modernen Physik. Bemerkenswert ist, dass Einstein jede Unterstützung durch Doktoranden oder Assistenten ablehnte. Seine Theorien erarbeitete er selbstverständlich ohne Mithilfe von Computern, sondern nur durch Bleistift, Papier - und eigenem Grips.


Beispiel: Dunkle Materie

Diese Blütezeit der Physik hat nun ein Ende gefunden. Seit mehr als vierzig Jahren forschen tausende von Astrophysikern daran, beispielsweise die Struktur der Dunklen Materie aufzudecken. Ohne Erfolg. Dabei gibt es von dieser Art der Materie sechs Mal so viel wie von der uns bekannten sichtbaren Materie. Und sie muss existieren, denn sonst würden die Galaxien - wie unsere Milchstraße - infolge der Fliehkräfte auseinander gerissen werden. Schöne Theorien, wie die Supersymmetrie (wonach jedes bekannte Teilchen einen spiegelbildlichen Partner besitzt) haben sich bislang als nicht ergiebig erwiesen. Ebenso wie die Postulation der sogenannten "WIMP"-Teilchen, welche die beträchtliche Masse eines Goldatoms besitzen, aber beim Durchfliegen unseres Planeten Erde kaum einen einzigen Zusammenstoß erleiden sollen.

Die schiere Anzahl der Astrophysiker lässt jedes Jahr hunderte von Artikeln in den Zeitschriften Science, Nature und Physical Review entstehen. Jeder kleine Ausschlag in irgendwelchen Messdaten wird beäugt - und erweist sich bald darauf doch nur als Schwankung in der Statistik. Immer schneller wird publiziert und doch stellt sich alles später als "ambulance chasing" heraus: die konkurrierenden Kollegen jagen hinter dem "Rettungswagen" her wie Anwälte, die hoffen, dass es am "Unfallort" jemanden zu verklagen gibt. Publish or perish!

Stringtheoretiker unter sich

Die unterhaltsamsten (und billigsten) unter den theoretischen Kosmologen sind die "String"-Physiker. Nach ihren Vorstellung besteht das Universum nur aus winzigen schwingenden Fädchen. Ihren Rechnungen zufolge haben diese aber nicht nur drei Dimensionen, sondern neun oder zehn. Da unsere sichtbare Welt aber nun mal nur drei Raumdimensionen hat, haben die String- Rechenkünstler damit ein Problem. Um aus dem Dilemma herauszukommen,  behaupten sie kühn, dass die überschüssigen Dimensionen "eingerollt" seien, ähnlich wie bei den japanischen Papierfiguren Origami.--- Besonders beeindruckend für Laien ist ihr Weltmodell "Multiversum". Die Stringleute postulieren nicht nur ein einziges Universum- nämlich das Unsrige - sondern deren viele. Mehr als unser Weltall Atome besitzt. Wow! Mit solchen Theorien kann man den physikalischen Amateuren besonders imponieren; leider lassen sie sich experimentell nicht verifizieren. Aber: man kann damit Preise gewinnen, wie den "Breakthrough"-Preis, den ein reicher Sponsor gestiftet hat. In der Höhe von drei Millionen Dollar, also etwa dem Dreifachen des Physik-Nobelpreises.


Beispiel: KATRIN

Auch am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erlitt man schmerzhafte Erfahrungen beim Einstieg in die (experimentelle) Astrophysik. Der damalige Geschäftsführer Dr. Popp (nach einer verlorenen Hessenwahl als ehemaliger Ministerialbeamter ins Kernforschungszentrum Karlsruhe entsandt) machte dort eine Reihe erfolgreicher kerntechnischer Projekte (wie KNK II) platt und betrieb den Programmwechsel auf Nanotechnik und Astrophysik. Mit dem Experiment KATRIN wollte man die Ruhemasse des elektronischen Neutrinos messen. Der Experimentablauf wurde schon um das Jahr 2000 konzipiert und in einem "letter of intent" war der Sachaufwand auf 17 Millionen Euro beziffert. Die Bauphase sollte 2005 beendet sein; die Inbetriebnahme und erste Messungen waren für 2006 angesetzt. Just in diesem Jahr verließ der Initiator des Vorhabens, der genannte Dr. Popp, das Forschungszentrum und begab sich in den Ruhestand. Der abrupte Abgang überraschte einige Beobachter, nicht aber die Kenner der Situation.

Der Bau des 75 Meter langen Experiments erwies sich als komplizierter und zeitaufwendiger als vorbedacht. Er besteht aus einer hochintensiven und fensterlosen Tritiumquelle, einer Tritiumpumpstrecke sowie zwei Spektrometern. Eine wesentliche technische Herausforderung war das hohe Vakuum von 10 hoch minus11 Millibar. Im Jahr 2009 musste der Industriehersteller für den Kryostaten das Handtuch werfen und den Auftrag zurückgeben. Mit "Bordmitteln" d. h. einer Vielzahl von Diplom- und Doktorarbeiten wurde diese Klippe schließlich in Eigenregie überwunden. Logischerweise hatte sich die Inbetriebnahme des Experiments, die für 2012 angesetzt war, wieder mal entsprechend verzögert.

Nun ist der Beginn der Messungen für 2019 anberaumt; das Ende ist für 2023 geplant. Voraussetzung ist, dass der beschriebene 4-stufige Versuchsaufbau über diesen langen Zeitraum auch fehlerfrei funktioniert. Zur Energieanalyse werden in dem kleinen Spektrometer zunächst alle langsamen Elektronen aussortiert; im Hauptspektrometer wird dann die Energie nahe am Endpunkt präzise bestimmt. Dafür ist das genannte Ultrahochvakuum erforderlich und die Stabilität der Gegenspannung von 18,6 kV darf nur um weniger als ein Millionstel schwanken. Hohe Anforderungen!


Tiefe Skepsis beim Physiker-Nachwuchs

Vier Jahrzehnte permanenter Misserfolge hinterlassen ihre Spuren auch beim Physikernachwuchs. Die jungen Physikerinnen und Physiker, welche lange Zeit vom Gebiet der Astrophysik fasziniert waren (gemäß "Faust": Sehen was die Welt im Innersten zusammenhält) sind tief verunsichert. Für sie stellt sich die Frage, ob sie auf diesem nebulösem Gebiet promovieren oder eine Postdoc-Tätigkeit aufnehmen sollen. Oder ob sie gar ihr ganzes Leben auf der Uni damit zubringen wollen - um schließlich im schlecht bezahlten akademischen "Mittelbau" zu enden.

Mehr und mehr nehmen davon Abstand, insbesondere seit vor wenigen Monaten der negative Ausgang des "Xenon Dark Matter Projekt" bekannt wurde. Dort wollte man mit 1.300 Kilogramm flüssigem Xenon die Wechselwirkung der WIMPs bestimmen - und fand nichts. Mittlerweile gibt es gewichtige Stimmen, welche die Dunkle Materie (und die Dunkle Energie) für ein Phantom halten, das in Wirklichkeit gar nicht existiert. Diese Annahme würde jedoch ein alternatives kosmologisches Modell erzwingen, das bereits unter dem Namen MOND (=Modifizierte Newtonsche Mechanik) heftig diskutiert wird. Darin wäre der Gravitationswert ortsabhängig und auch Teile der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie würden ihr zum Opfer fallen. Für viele Physiker ein grauenhafter Gedanke, weshalb sie sich bislang scheuen, den "Reset"-Knopf zu drücken.

Auch die schiere Länge einzelner astrophysikalischer Experimente lässt die jungen Physiker nachdenklich werden. Beispiel: KATRIN.  Falls dieses Vorhaben, optimistisch gerechnet, in fünf Jahren mit der Messphase zu Ende gehen sollte, dann hat es sich fast über ein Vierteljahrhundert hingezogen.Und dem Projektleiter Professor Guido Drexlin muss man das Beste wünschen, damit er das Ergebnis seiner langen Bemühungen noch in der Berufsphase erleben darf.

Denn:  im Jahr 2023 geht der Professor in den Ruhestand.

Müll im Weltraum

Der Müll in den Weltmeeren, insbesondere jener aus Kunststoff, ist derzeit ein heiß diskutiertes Thema. Als Laie fragt man sich, wieso man es Ländern gestatten kann, ihren Plastikabfall auf hoher See abzukippen. Stattdessen wäre (neben der Rezyklierung) das Verbrennen der Tüten und Flaschen etc. in - mit Filtern ausgestatteten - Zementfabriken ein simpler und vielfach erprobter Entsorgungsweg. Nebenher erbringt diese Methode noch 12 Kilowattstunden Strom pro Kilogramm Kunststoff.

Kein Diskussionsthema bei Laien - dafür umso heftiger unter Fachleuten - ist die Vermüllung des Weltraums, insbesondere oberhalb unserer Atmosphäre. Hier deutet sich, bei weiterem Zusehen, eine Katastrophe an, welche das Abwürgen der erdnahen Raumfahrt zur Folge haben könnte.

Als am 4. Oktober 1957 von der Sowjetunion der erste Satellit "Sputnik 1" in eine Erdumlaufbahn (sprich:  Orbit) geschossen wurde, war dies ein Schockereignis für den Westen, besonders die USA. Aber schon nach drei Monaten tauchte Sputnik wieder in die Erdatmosphäre ein und verglühte dort restlos. Der Weltraum war wieder so rein und jungfräulich wie zuvor. Das ist heute nicht mehr der Fall. Seit beginn des Raumfahrtzeitalters gelangten 7.500 Satelliten bei 5.250 Raketenstarts in ihren Orbit. Davon sind nur noch 1.200 in Betrieb. Der Rest ist abgeschaltet oder energielos und kreist zur Gänze oder in Trümmern um die Erde.

Müll im Weltraum

(nicht maßstabsgerecht)

Gefährliche "Leichen" im Weltraum


Die Trümmer entstehen vorzugsweise durch Fragmentation von Raketenoberstufen oder durch die Explosion von übrig gebliebenen Brennstoff. Nicht selten werden (Spionage-) Satelliten auch gezielt zerstört, um keinen Einblick in deren Konstruktion zu gewähren.  Derzeit kreisen rund 750.000 Objekte ab einer Größe von 1 Zentimeter und darüber auf verschiedenen Bahnhöhen zwischen 300 und 36.000 Kilometer um die Erde. Davon erreichen ca. 30.000 eine geometrische Größe von über zehn Zentimetern. 75 Prozent dieser Trümmer befinden sich auf Orbits zwischen 400 und 2.000 km, welche für Satelliten aller Art sehr frequentiert sind. Dort ist die Atmosphäre leider noch so dünn, dass sie bei ihrem Flug kaum abgebremst werden und deshalb viele Jahre lang wichtige Orbits "vermüllen". Ab 300 km und darunter werden die Trümmerteile durch die Luft so schnell abgebremst, dass sie in kurzer Zeit verglühen und nur noch selten die Erdoberfläche erreichen.

Diese Raketentrümmer stellen eine echte Gefahr für die Raumfahrt dar. Als Daumenregel gilt, dass ein erbsengroßes Trümmerstück die Durchschlagskraft einer Handgranate besitzt. Der Grund dafür liegt in der hohen Kollisionsgeschwindigkeit von 10 Kilometern pro Sekunde, was der 15-fachen Fluggeschwindigkeit einer Gewehrkugel entspricht. Ein Objekt von 1 Zentimeter Größe kann wegen seiner Wucht unter Umständen einen Satelliten zerstören oder einen Astronauten bei Außenarbeiten an der Internationalen Raumstation ISS in Gefahr bringen. Die Hülle der ISS ist allerdings auf solche Kollisionen ausgelegt und kann im Falle eines Lecks rechtzeitig wieder abgedichtet werden.


Das Kessler-Syndrom

Die Wahrscheinlichkeit, dass sich kleine Müllteilchen im All treffen, ist relativ gering. Aber die Kollision zweier großer, intakter Satelliten kann zu einer "Trümmerwolke" führen, wenn sich diese leichtgebauten Himmelskörper gegenseitig zerstören. Dieser Effekt wurde schon 1978 von dem amerikanischen Astronomen Donald J. Kessler vorhergesagt, verbunden mit der Warnung, dass dies zum Ende der Raumfahrt führen könnte. Tatsächlich sind zwei Zusammenstöße dieser Art mit heftigen Auswirkungen bekannt geworden. Im Jahr 2007 hat China den eigenen Wettersatelliten Fengyun-1C im Rahmen eines Antiraketentests absichtlich abgeschossen. Als Folge erhöhte sich die Anzahl der katalogisierten Trümmerobjekte von 3.400 auf 12.000. Eine weitere Kollision der beiden Satelliten Iridium-33 mit Kosmos 2251 steigerte dies Zahl nochmals um 17 Prozent.

Seitdem werden die Bahnen aller Trümmerteilchen, welche größer als 5 Zentimeter sind, von der Erde aus mit großen Radarteleskopen der US-Agentur "Space Surveillance Networks" überwacht und in Katalogen gespeichert. Dabei sind auch deren Flugbahnen 72 Stunden im Voraus zu berechnen. Sind zwei Objekte auf Kollisionskurs so wird der Betreiber des fraglichen Satelliten rechtzeitig gewarnt. Durch Ingangsetzen von Lenkdüsen lässt sich so in der Regel ein Zusammenstoß vermeiden. Die Internationale Raumstation ISS muss (im Schnitt) zwei Mal im Jahr durch geeignete Manöver einer Kollision ausweichen.


Schmetterlinge fangen

Inzwischen gibt es bei der Europäischen Weltraumbehörde ESA sogar eine eigene Abteilung für die Schrottentfernung im Weltraum. Mit speziellen "Servicer-Satelliten" werden nicht mehr funktionstüchtige Satelliten angeflogen und ihre Bahnen so weit abgelenkt, dass sie in tiefere Atmosphärenschichten gelangen  und dort verglühen. Diese Verfolgersatelliten werden durch Roboter gesteuert und fangen nach hinreichender Annäherung die kaputten Satelliten mittels Harpunen ein. Ja, sogar Netze sind im Gebrauch, welche - ähnlich wie beim Fangen von Schmetterlingen - den Schrottteilen übergestülpt werden, um sie dann durch Ablenkdüsen in niedrigere Bahnen zu zwingen. 

Fragmente, die nur wenige Dezimeter groß oder noch kleiner sind, lassen sich auf diese Weise ökonomisch nicht entfernen. Ihnen begegnet man durch Beschuss mit Hochleistungslasern von der Erde aus. Damit kann u. U. eine Impulsdruck erzeugt werden, welcher solche Miniteile in niedrigere Bahnen zwingt. Die großen Raumfahrtnationen haben sich inzwischen verpflichtet, Weltraumschrott nach Möglichkeit zu vermeiden. Bereits bei der Planung neuer Missionen spielt dieser Gesichtspunkt eine große Rolle. In Zukunft sollen - nach den Vorstellungen des "Space Debris Committee" - alle neue Satelliten spätestens 25 Jahre nach Missionsende in niedere Orbits abtauchen und dort verglühen.

Der alte Lateinerspruch:      "Per Aspera ad Astra"
(=durch das Raue zu den Sternen)
gewinnnt da eine ganz neue Bedeutung.

Die Inflation des Universums

Heutzutage weiß nahezu jeder Gymnasiast wie das Universum, also unser Weltall in dem wir leben, entstanden ist:  nämlich durch den Urknall. Aus einem winzigen Punkt heraus, der Singularität, sollen sich vor knapp 14 Milliarden Jahre (gemeinsam) Materie, Raum und Zeit entwickelt haben und durch Expansion unser Universum gestaltet haben.

Als Begründer der Urknall-Theorie gilt der belgische Theologe und Physiker Georges Lemaître. Im Jahr 1927 veröffentlichte er seine Ideen zur Expansion des Weltalls in einer wenig bekannten belgischen Fachzeitschrift - zwei Jahre früher als der weitaus berühmtere amerikanische Astronom Edwin Hubble, welcher auf der gleichen Spur war. Lemaître war aber bescheiden und versuchte sein Erstentdeckerecht nie durchzudrücken. Statt des Nobelpreises durfte er sich später mit dem päpstlichen Titel eines Prälaten schmücken.

Die Schwächen der Urknalltheorie

Aber das oben skizzierte einfache Urknallmodell konnte nicht ganz stimmen. Aus zumindest drei Gründen, wie die Kosmologen behaupten. Erstens: es müssten jede Menge "Monopole" im  Weltall umherschwirren. Das sind einpolige magnetische Elementarteilchen, die aber bislang noch niemand entdeckt hat. Stattdessen gibt es - in vergrössertem Maßstab - nur die bekannten zweipoligen Stab- oder Hufeisenmagnete, welche man beliebig oft unterteilen kann und die immer wieder sowohl einen Nord- als auch einen Südpol, also einen "Dipol" ausbilden, aber eben keinen Monopol.

Der zweite Grund ist ein geometrischer. Das heute sichtbare Universum weist keine "Raumkrümmung" auf. Stattdessen deuten alle Messungen darauf hin, dass das Weltall "flach" ist, wie (vergleichsweise) ein Stück Papier.

Und drittens: wenn man die Abstände der Sterne und Galaxien aufaddiert und die Fluchtgeschwindigkeit, wie Hubble sie gemessen hat, berücksichtigt, dann kommt man auf eine viel zu geringe Ausdehnung des Weltalls seit dem Urknall. Grob gesprochen, wäre das Universum heute nur eben mal so groß wie ein Fußball! Es könnte somit keine Sonnensysteme sowie Pflanzen, Tiere und Menschen behausen. Deshalb musste an dem simplen Urknallmodell von Lemaître etwas fundamental falsch sein.

Als rettende Hypothese:  die Inflation

Es war der 34-jährige MIT-Physikprofessor Alan H. Guth, der die Urknalltheorie vor dem Aus rettete, indem er sie durch seine Hypothese von der Inflation ergänzte. Dieser Begriff ist den allermeisten Menschen nur aus der Finanzwirtschaft bekannt und verheißt dort nichts Gutes. In der Astrophysik - und im Sinne des Amerikaners Guth - bedeutet er jedoch nicht Geldentwertung, sondern die kurzzeitige Aufblähung des Weltalls.

Als kosmologische Inflation wird eine Phase der extrem raschen Expansion des Weltalls bezeichnet, von der man annimmt, dass sie unmittelbar nach dem Urknall stattgefunden hat. In diesem Zeitbereich hat sich das Universum - innerhalb weniger als einer Millionstel Sekunde - um ca. 50 Zehnerpotenzen fast schon auf die heutige Größe aufgebläht. Nach Beendigung dieser Inflation setzte sich die Ausdehnung des Weltalls mit dem heute noch beobachtbaren Tempo fort. Die Annahme einer solchen inflationären Expansion erscheint einerseits willkürlich, löst aber andererseits all die oben genannten kosmologischen Probleme.

Wie es zu dieser gigantischen "Explosion" in der Frühphase des Weltalls kommen konnte, ist dem Laien schwer zu vermitteln, denn alle Erklärungen spielen sich auf der höchsten Ebene der mathematischen Physik ab. Die Astrophysiker sprechen von einer Zustandsänderung des skalaren Feldes; dieses sogenannte Inflatonfeld besitzt eine Zustandsgleichung mit negativem Druck, welche nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu einer abstoßenden Kraft führt. Verstanden? Einfacher gesprochen, kam es in dieser Vor-Inflationsphase beim sogenannten Vakuum zu einer Anhebung des Grundzustandes. Bei der gleich folgenden Absenkung dieser Anregung wurden riesige Energiemengen frei, welche das Weltall auseinander trieben.

Ich versuche es noch einfacher und grotesk simpel: unmittelbar nach dem Urknall wurde gewissermaßen ein "Akku" aufgeladen und im Bruchteil einer Sekunde wieder entladen, was zu der Ausdehnung des Weltalls führte. (Die kundigen Professoren des KIT, deren Hauptseminare in Astrophysik ich gelegentlich besuchen durfte, mögen mir diesen kruden Erklärungsversuch verzeihen). Bei diesem Inflationsübergang entstand auch das Higgs-Feld, welches allen Elementarteilchen ihre Masse (also ihr Gewicht) verlieh. Der Strukturwandel im damaligen Weltall geschah so schnell, dass in weniger als einer Billiardstel Sekunde ein Atomkern die Größe unserer Milchstraße erreichen konnte! Damit breche ich ab, möchte aber vorher noch  vermerken, dass sich die Expansion mit vielfacher Lichtgeschwindigkeit abgespielt haben muss, was in dieser speziellen Situation  möglich war und nicht gegen Einsteins Gebot von der konstanten Lichtgeschwindigkeit verstoßen hat.


Im Schnelldurchlauf: die Entwicklung des Universums

Im Laufe seiner fast 14 Milliarden Jahre andauernden Geschichte durchlief unser Universum etwa ein halbes Dutzend verschiedener Phasen mit krass unterschiedlicher Zeitdauer. Die Abbildung veranschaulicht illustrativ die wichtigsten Entwicklungsstadien des Universums, ist aber nicht maßstabsgetreu.

Entwicklungsstadien unseres Universums

Der Urknall bildete den Anfang. Es war die kürzeste Phase, wobei man über die genaue Zeitdauer wenig sagen kann, da zu jener Zeit die Gesetze der Physik noch keine Gültigkeit hatten.

Die Inflation, also die dramatische Aufblähung des frühen Universums, dauerte nur den Bruchteil von einer Milliardstel Sekunde. Genauere Angaben versage ich mir, da eine Zeitdauer von 10 hoch minus 32 Sekunden für die meisten Zeitgenossen wenig anschaulich ist.

Nach 1 Sekunde hatten sich alle Wasserstoffkerne (Protonen) und Neutronen gebildet. Die Astrophysiker haben hierfür den eingängigen Namen Primordiale Nukleonensynthese geprägt.

Nach drei Minuten war durch Fusion ein Großteil der Heliumatomkerne entstanden, sowie Spuren leichterer Kerne bis hin zum Lithium und Beryllium. 

Nach ca. 400.000 Jahren wurde das Universum durchsichtig, weil die Lichtteilchen (Photonen) nicht mehr von den überall umher schwirrenden Elektronen behindert wurden. Diese vereinigten sich mit den oben genannten Atomkernen zu den leichten Atomen, wie Wasserstoff, Helium etc.

Nach ca. 1 Milliarde Jahren bildeten sich im Weltraum die ersten Galaxien, Sterne und (vermutlich) Gasplaneten heraus. Danach kam es immer wieder zu Supernova-Explosionen, bei denen die restlichen Elemente bis zum Uran durch Fusion erzeugt wurden.

Nach ca. 9,2 Milliarden Jahren enstand unser Sonnensystem mit der Sonne als Zentralstern und dem Planet Erde als Gesteinsstern. Etwa 1 Milliarde Jahre später bildete sich bakterielles Leben.

Nach 13,8 Milliarden Jahren (Jetztzeit) besiedelt der Mensch - seit ca. 0,003 Milliarden Jahre - die Erde. Vor wenigen Jahren haben die Weltraumforscher nachgewiesen, dass sich (vermutlich wegen der Dunklen Energie) das Universum beschleunigt (und wahrscheinlich endlos) ausdehnt.

Nach ca. 1.000 Milliarden Jahren werden (spekulativ!)) alle Galaxien, Sterne und Planeten "verdunstet" , oder in einem riesigen "Schwarzen Loch" konzentriert sein. Fauna und Flora existieren nicht mehr.


Immer wieder wird von Laien die Frage gestellt: Was war vor dem Urknall?
Die Physiker haben darauf keine Antwort parat.
Ausgenommen Prälat Lemaître; er sagte (augenzwinkernd):
Vor dem Urknall hat der Teufel die Hölle geschaffen.

Die Mondlandung - ein "Fake"?

Wer glaubt, dass unsere Gegenwart von Realität und Tatsachen geprägt ist, der irrt. Wie sonst hätte die Duden-Gesellschaft das Wort "postfaktisch" zum Wort des Jahres 2016 wählen können? Womit (nach Merkel) zum Ausdruck kommt, dass sich die Menschen derzeit weniger an den "Fakten" als an ihren "Gefühlen" orientieren. Noch einen Schritt weiter ging Kelly Conway, die Beraterin des amerikanischen Präsidenten, welche in Verbindung mit der Einreise von Muslimen bei einer faustdicken Lüge ertappt wurde und daraufhin ihr Statement keck in "alternatives Faktum" umtaufte.

Im Bereich der Substantive hat Donald Trump den Begriff "Fake" oder "Fake News" in die Wörterbücher gebracht, worunter man jede Art von Schwindel bis hin zur dreisten "Lüge" subsummieren kann - einschließlich mancher seiner nächtlichen Twitterbotschaften. Früher waren solche Falschnachrichten unter (dem Zauberspruch) "Hokuspokus" eingeordnet, ein altes Wort, das die Amerikaner zu "Hoax" verkürzt haben. Inzwischen werden auch historisch verbürgte Ereignisse dem Fake-Bereich zugeordnet. Zum Beispiel die erste Mondlandung am 21. Juli 1969 sowie die fünf folgenden bis 1972.

Der Moon Fake

Es war in den achziger Jahren des vorigen Jahrhunderts als (vornehmlich in den USA) die ersten Zweifel an der Echtheit der Mondlandungen aufkamen. Die NASA hatte, vor allem aus Geldgründen, die Reisen zum Mond aufgegeben und für eine Unternehmung zum Mars lagen die technischen Hürden noch viel zu hoch. Ein ehemaliger Mitarbeiter der südkalifornischen Raketenfirma "Rocketdyne Research", Bill Kaysing, der von 1956 bis 1963 für die technischen Publikationen dieses NASA-Zulieferanten verantwortlich war, säte die ersten Zweifel.

Ihm fiel auf, dass die US-Flagge auf dem Mond eine Zeitlang hin und her wehte, obwohl es dort doch keinen Wind geben soll. Außerdem wunderte er sich öffentlich, dass auf den NASA-Photos der Mondhimmel pechschwarz war und man keine Sterne sehen konnte - obwohl es auf dem Mond keine "Lichtverschmutzung" wie auf der Erde geben konnte. Die Experten der NASA reagierten postwendend und erklärten das Fahnenproblem, indem sie darauf verwiesen, dass der Flaggenstock von Astronaut Neil Armstrong in die Mondoberfläche gerammt werden musste, wodurch die Fahne (ähnlich wie ein Pendel) noch eine Zeitlang hin und her schwang. Die fehlenden Sterne am Mondhimmel erläuterten sie damit, dass Verschlusszeit und Blende der benutzten Hasselbladkamera so klein waren, dass die Dynamik des Films nicht ausreichte, um die schwachen Sternbilder in eine Filmschwärzung umzusetzen.

Astronaut Neil Armstrong mit Mondfähre und Flagge

Aber das war nur der Anfang, die ersten Zweifel waren gesät. Die NASA glaubte damals noch, diese Diskussionen dadurch beenden zu können, indem sie den renommierten Raumfahrthistoriker James Oberg damit beauftragte (für 15.000 Dollar) ein Buch zu schreiben, welches beweisen sollte, dass die Astronauten doch auf dem Mond gelandet waren. Die Diskussion jedoch ging weiter, insbesondere als der amerikanische Fernsehsender "Fox News Networks" im Februar 2001 die Sendung "Did we really land on the moon"? ausstrahlte, welche im gleichen Jahr von "Spiegel TV" übernommen wurde. Hier wurde erstmals der Verdacht ausgesprochen, dass die sogenannten Mondlandungen in Filmstudios gedreht worden waren, die Funksprüche von bestochenen Amateurfunkern kamen und allen Beteiligten von der NASA ein Schweigegebot auferlegt worden war.

Bei Meinungsumfragen in den USA waren bereits im Jahr 2002 volle 36 Prozent der Befragten der festen Überzeugung, dass die NASA die Mondlandungen "gefaked" habe. Die Raumfahrtbehörde war darob so erschüttert, dass sie den Buchauftrag an Oberg zurückzog. Offensichtlich sah sie keine Möglichkeit mehr, das amerikanische Publikum von der Legitimität ihres Tuns zu überzeugen. Bei einer erneuten Umfrage Mitte 2013 stieg der Anteil der Zweifler sogar auf 47 Prozent an, entsprechend einer Steigerung um 30 %!

Der Kern des Problems

Wenn die NASA den unwiderlegbaren Nachweis liefern könnte, dass ihre Behauptung - die Astronauten waren auf dem Mond - den Tatsachen entsprechen würde, dann wäre das Problem vom Tisch. Leider ist dies nach den Gesetzen der Logik nicht möglich, denn die Tatsachen liegen nicht in der Gegenwart, sondern in der Vergangenheit. Und:
Es gibt aber keinen hundertprozentigen, zweifelsfreien Beweis für Tatsachen,
die in der Vergangenheit liegen.
Dass Frau Merkel wirklich existiert, dafür gibt es in der Gegenwart viele Zeitzeugen; Gleiches ist nicht der Fall für Karl den Großen. Die Dokumente  über ihn sind in der Vergangenheit entstanden und können gefälscht sein.

Ein anderes Beispiel: dass in den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts am Kernforschungszentrum Karlsruhe Brüterforschung betrieben wurde, ist eine oft geäußerte Vermutung - bleibt aber Hypothese bis zum endgültigen Nachweis. Dieser kann heute nicht mehr strikt gelingen, denn die wenigen Projektberichte, die in der Folge der Vernichtung entgangen sind, können gefälscht sein. Weiterhin: das Brüterkraftwerk SNR 300 in Kalkar ist zur Zeit, wie leicht zu besichtigen, ein Rummelplatz. Und: die wenigen noch lebenden und dahinvegetierenden Brüterforscher (bis hin zum Projektleiter) könnten geneigt sein - zur Aufbesserung ihrer kargen Rente - gegen eine kleine Geldzahlung zu behaupten, dass sie im fraglichen Zeitraum nicht am Schnellen Brüter gearbeitet haben, sondern im Abwasserbereich unter Diplomingenieur (FH) Jürgen Amend. (Wobei auch noch für den Letztgenannten eine kleine Zahlung fällig werden würde).

Sic Transit Gloria Mundi.

Die Rettung:  Ockhams Rasiermesser

Wie kommt man aus diesem Dilemma heraus? Denn man kann doch nicht das gesamte Fachgebiet der Geschichtswissenschaft abschaffen, die sich ja ausschließlich mit der Vergangenheit beschäftigt. Die Lösung bringt das sogenannte "Ockham´sche Rasiermesser". Es ist benannt nach dem mittelalterlichen Philosophen und Scholastiker Wilhelm von Ockham (1288 - 1347), der sich viel mit wissenschaftlicher Methodik beschäftigte und dabei auf ähnliche Probleme der Logik stieß. Im Sinne höchstmöglicher Sparsamkeit bei der Nutzung von Hypothesen und Theorien stellte er folgendes Prinzip auf:
1. Von mehreren möglichen Erklärungen für ein und denselben Sachverhalt ist die einfachste Theorie allen anderen vorzuziehen.
2. Die metaphorische Bezeichnung "Rasiermesser" ergibt sich daraus, dass alle anderen Erklärungen eines Phänomens - wie durch ein Rasiermesser - entfernt werden sollten.

Die NASA nutzt das Ockham´sche Prinzip und argumentiert folgendermaßen:
"Millionen sahen live die Saturnrakete, als sie ins All abhob. Die Funksprüche kamen aus der Richtung des Mondes; selbst die argwöhnischen Sowjets bezeugten das. Noch heute werden Laserstrahlen durch einen auf dem Mond aufgestellten Reflektor zur Erde zurück reflektiert. Das  zurück gebrachte Mondgestein (382 kg) enthält Helium-3-Atome, die es auf der Erde nicht gibt. Alles wurde auf Compact Discs dokumentiert.
Die Schlussfolgerung ist: "Unsere Astronauten waren auf dem Mond".

Demgegenüber behaupten die Zweifler, dass etwa 100.000 der am Mondprojekt beteiligten Menschen bestochen waren und lebenslänglich zum Schweigen verurteilt worden sind. Einschließlich der russischen Beobachter! Das mit Helium-3 versehene Mondgestein wurde von "Aliens" zur Erde gebracht, etc.etc.

Kein Zweifel: Die Behauptungen der NASA sind einfacher und glaubwürdiger als die kruden Hypothesen ihrer Gegner. Die Folge nach Ockham:
Die NASA war auf dem Mond.


Der Praktiker

Manche Anhänger der Verschwörungstheorie sind besonders hartnäckig. Einer von ihnen stellte Edwin Aldrin, der am 20. Juli 1969, zusammen mit Neil Armstrong, erstmals den Mond betrat. Auf offener Straße beschimpfte dieser Unbekannte im Dezember 2002 den Astronauten als Lügner, hielt ihm eine Bibel vor die Nase und verlangte, dass Aldrin die Hand auf die Heilige Schrift lege und bei Gott beschwöre, dass er wirklich auf dem Mond gewesen sei. Der damals schon 72-jährige Astronaut ließ sich auf keine weitere Diskussion ein, sondern versetzte dem Mann einen kräftigen Kinnhaken.

Ein umwerfendes Argument für die Mondlandung!

Intelligente Wesen in der Milchstraße?

Wenn man, bei sternklarer Nacht, zum Himmel empor blickt, dann kann man, mit bloßem Auge, etwa 3.000 Sterne erkennen. Unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, an derem Rand sich die Erde befindet, besitzt etwa 100 Milliarden Sterne (also leuchtende Sonnen) und zumindest gleich viele "kalte" Planeten. Da drängt sich wohl jedem Menschen gelegentlich die Frage auf:
"Gibt es - neben uns - weitere menschenähnliche Wesen in der Milchstraße? Und wenn ja, wie viele könnten es sein? Hunderte, Tausende oder gar Millionen?"
Bei einer EMNID-Umfrage im Jahr 2002 waren 50 Prozent der Befragten der Überzeugung, dass es solche "Außerirdische" in reicher Zahl gäbe. Als Grund gaben sie zumeist an, dass dies bei der Anzahl der Planeten schon der "gesunde Menschenverstand" gebiete.

Seit einem guten halben Jahrhundert beschäftigen sich auch Astrophysiker und Astrobiologen ernsthaft mit dieser Frage. Im Jahr 1961 stellte der amerikanische Physiker Frank Drake sogar eine mathematische Formel vor, mit der man die Anzahl der ETI-Zivilisationen angeblich berechnen konnte, wobei ETI für Extra-Terrestrical-Intelligence steht. Zum Leidwesen sind die meisten Faktoren dieser relativ einfachen Formel aber unbekannt - wie etwa der Anteil der Planeten mit Leben oder die durchschnittliche Lebensdauer einer technischen Zivilisation. Infolgedessen schwanken die Rechenergebnisse aus der Drake-Formel sehr heftig zwischen einer (Erde!) und vier Millionen intelligenter Zivilisationen in unserer Milchstraße geben. Da ist für jedem etwas drin.


Das Fermi-Paradoxon

Das Problem der extraterrestrischen Zivilisation wurde auf eine andere Ebene gehoben durch eine Aussage des Physikers Enrico Fermi. Dieser in Italien geborene und in die USA ausgewanderte Wissenschaftler (Nobelpreis 1938) war berühmt für seine Fähigkeit Probleme abzuschätzen, für die eigentlich gar keine Daten vorhanden waren. Beispielsweise warf er beim ersten Atombombentest 1945 ("Trinity") Papierschnipsel in die Luft und beobachtete, wie weit diese durch die Druckwelle fortgeblasen wurden. Daraus konnte er mit erstaunlicher Genauigkeit die Sprengkraft der Bombe abschätzen, lange bevor die Sensormessungen ausgewertet waren.

Ein weiteres Problem, dessen sich Fermi angenommen hat, ist als "Fermi-Paradoxon" in die Wissenschaftsgeschichte eingegangen. Im US-Forschungszentrum Los Alamos, auf dem Weg zur Kantine, wurde er von seinem Physiker-Freund Edward Teller darüber befragt, was er von den Außerirdischen und den UFOs hielte, über die damals in allen Zeitungen der Welt spekuliert wurde. Fermi antwortete mit der berühmt gewordenen kurzen Gegenfrage:
"Wenn es Außerirdische gibt, wo sind sie?"
In Langfassung wollte Fermi damit folgendes ausdrücken: Wenn es Außerirdische intelligente Wesen in der Milchstraße gäbe, dann würden sie in großer Zahl existieren und hätten sich längst auf der Erde durch einen Besuch oder durch Funkverkehr bemerkbar gemacht. Da dies aber nicht der Fall ist, stimmt diese Voraussetzung nicht. Das heißt, seines Erachtens gibt es -außer auf der Erde - entweder keine weiteren intelligenten Zivilisationen in unserer Galaxie, oder wenn ja, dann nur in ganz kleiner Anzahl (etwa 3 bis 5). Dieser Widerspruch ist der Kern des Fermi-Paradoxons.

Edward Teller und Enrico Fermi

Einige Überlegungen und Zahlen sollen andeuten, dass es auf erstem Blick durchaus gute Gründe für eine gewisse Anzahl von intelligenten Wesen in der Milchstraße gibt und entsprechendem Reise-und Funkverkehr zwischen den bewohnten Planeten. Etwa nach folgender Logik:
Unsere Erde besteht seit 4.500 Millionen Jahre, der Mensch hat sich (aus dem Schimpansen) seit etwa 7 Millionen Jahren herausgebildet. Erhebliche Teile der Milchstraße sind aber 5.000 Millionen Jahre älter. In diesem langen Zeitraum könnten sich durchaus intelligente Wesen ausgebildet haben. Apropos Raumfahrt: die menschlichen Raumfahrer werden unseren Nachbarplaneten Mars sicherlich noch in diesem Jahrhundert besuchen; die Erkundung der äußeren Planten unseres Sonnensystem könnte noch in diesem Jahrtausend technisch möglich sein. Unterstellt man ähnliche Fähigkeiten den fremden Zivilisationen, so ist die - nur 100.000 Lichtjahre ausgedehnte - Milchstraße im Laufe von ca. 100 Millionen Jahre durchaus in Gänze "befahrbar", also innerhalb des oben genannten Zeitbereichs von 5 Milliarden Jahren. Ein konkreter Anlass für solchen "Tourismus" könnte zum Beispiel das allmähliche Verlöschen des Heimatsternes und das damit einhergehende kalte Klima sein.
Von da her gesehen ist Fermis Annahme der Singularität des Menschen also erstaunlich. Aber sie stützt sich, wie oben ausgeführt, darauf, dass wir solche Aliens auf der Erde bisher weder gesehen haben, noch, dass wir ihren Funkverkehr abhören konnten - obwohl die Agentur SETI seit mehr als 50 Jahren in den Weltraum hinein horcht.

Die großen Filter

Warum gibt es also so wenige - oder überhaupt keine - intelligenten Kulturen in unserer Milchstraße? Nun, die Erzeugung intelligenter Wesen von den Aminosäuren bis zu ETI-Kulturen, die in der Lage sind, die Milchstraße zu durchqueren, ist eine langwierige und hochkomplexe Angelegenheit. Da muss vieles zusammenpassen; die Evolutionsbiologen stimmen mit den Astrophysikern überein, dass dies nur in den allerseltensten Fällen glückt. Der Grund dafür ist, dass es auf diesem langen Weg vom Einzeller zu außerirdischen Kulturen etwa ein Dutzend "Filter", sprich Hürden gibt, die ungemein schwer zu überwinden sind. Bereits der Anfang, der Weg von der anorganischen Materie zum Einzeller, ist extrem komplex. Es muss eine Zellhülle existieren, in der zufälligerweise bestimmte Proteine (Ribosome) am Werke sind, die wiederum von einem sehr komplizierten Genom gesagt bekommen, wie sie andere Zellproteine produzieren, abbauen und umformen (Enzyme) - um nur wenige Komponenten des zellulären Lebens zu benennen. Wie kann dieses so orchestrierte, aber extrem komplexe Zusammenspiel "aus dem Nichts" entstehen? Bereits diesen ersten kritischen Schritt der Evolution haben die Biologen bis heute nicht verstanden.

Einen weiteren Filter stellt der Darwin´sche Selektionsprozess dar. Es gibt keine zielgerichtete Selektion, beispielsweise vom Langhaardackel zum Menschen. Jedes Wesen kann sich auf erratischem Wege auch zurück entwickeln. Selbst ein größeres Gehirn könnte bei der Evolution ein Nachteil sein, weil dieses Organ - im Vergleich zur Körpermasse - sehr viel Energie verbraucht. Diese kann im Ernstfall fehlen, etwa wenn ein Urmensch vor einem Raubtier fliehen muss.

Schließlich, um noch einen dritten Filter herauszugreifen: die außerirdische Zivilisation muss auch lange genug leben und sich fortentwickeln, bis sie zu Raumfahrten fähig ist. Bei der Menschenrasse ist das erst seit dem Jahr 1969 mit der Mondfahrt der Fall. Ob wir, angesichts unseres Zerstörungspotentials (Atombomben, Kriege, Terror etc.) noch weitere tausend oder gar Millionen Jahre leben werden - und uns ständig so fortentwickeln, dass wir größere innerplanetarische Raumfahrten unternehmen können  - darauf möchten die Soziologen heute keine Wette abschließen.
Im Wesentlichen hängt das Bestehen von ETI-Kulturen in unserer Galaxie von den beiden Fragen ab:
Wie wahrscheinlich entsteht intelligentes Leben aus einfachen organischen Molekülen und wie lange existieren die intelligenten Zivilisationen.


Auch allein im Universum?

Wenn wir schon - mutmaßlich - nur mutterseelenallein in unserer Galaxie existieren, so lasst uns noch einen Blick ins Universum, also jenseits der Milchstraße, werfen. Dort gibt es noch jede Menge Galaxien, ungefähr 100 Milliarden, wie man vor zwei Jahrzehnten angenommen hat. Es ist die feste Überzeugung der Wissenschaftler (oder sollte man nicht besser sagen: ihre derzeitige Hypothese), dass es im Weltall auch Milliarden von Planeten gibt, die - ähnlich wie die Erde - von "Aliens" auf verschieden hohen Evolutionsstufen bevölkert sind.

Ja, es muss sie geben, denn im April des Jahres 2000 haben die Kosmologen herausgefunden, dass unser Universum nicht begrenzt, sondern stattdessen unendlich groß ist. Und das Weltraumteleskop "Planck" bestätigte diese Annahme, als es im März 2016 ein flaches Universum beobachtet hat. Flach bedeutet in der Sprache der Astrophysiker nicht gekrümmt und dieser topologische Sachverhalt führt zu der Konsequenz, dass der uns umgebende Raum unendlich ausgedehnt sein muss. Und wo es somit unendliche viele Planeten gibt, da muss es - nach der Logik der Kosmologen - auch unendlich viele intelligente Wesen geben.

Aber nicht nur das! Es muss auch unendlich viele "Klone" geben, das heißt genetisch identische Kopien von allen Lebewesen. Also viele Willy Marths und viele Angela Merkels. Hier höre ich mit diesen Science-Spekulationen auf, um mir nicht die Gunst meiner Blogleser zu verscherzen.

Derzeitiger wissenschaftlicher "Fakt" - unter den genannten Voraussetzungen - ist, dass wir in unserer Milchstraße als intelligente Zivilisation vermutlich (praktisch) allein existieren, aber, dass es draußen im Weltall, noch unendlich viele weitere Kulturen geben muss, mit denen wir aber niemals  in Kontakt kommen können. Der Grund dafür sind die gigantischen Entfernungen zwischen diesen Galaxien.

Glücklicherweise.
(Sollte aber doch jemals ein Raumschiff mit Aliens auf der Erde landen, dann ist Reißaus geboten. Denn: Kolonisten kommen selten als Freunde.)

Die Expansion des Universums

Der deutsche Philosoph Immanuel Kant (gestorben 1804) liebte es bombastisch, wenn er sagte: Zwei Dinge erfüllen das Gemüt mit Bewunderung und Ehrfurcht: der gestirnte Himmel über mir und das moralische Gesetz in mir. Für den moralischen Teil dieses Diktums hatte er den "Kategorischen Imperativ" erfunden (Handle so, dass dein Wollen als Grundlage einer Gesetzgebung gelten kann). Den bestirnten Himmel teilen sich die Theologen mit den Physikern, wobei Letztere vor allem im vergangenen Jahrhundert Erstaunliches herausgefunden haben.

Wieder einmal beginnt alles bei Einstein, der seine "Allgemeine Relativitätstheorie" (ART) im Jahr 1916 - also vor genau hundert Jahren - der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin vorgetragen hat. Die ART beschreibt die Wechselwirkung zwischen Materie und Feldern einerseits, sowie zwischen Raum und Zeit andererseits. Die Schwerkraft (Gravitation) wird als geometrische Eigenschaft der vierdimensionalen Raumzeit gedeutet. Für Einstein war das Universum noch ein statisches, immer gleich bleibendes Gebilde, angefüllt mit Materie und Energie. Als er einmal gefragt wurde, ob das Universum unendlich sei, antwortete er mit feiner Ironie: Zwei Dinge sind unendlich, das Universum und die menschliche Dummheit - aber beim Universum bin ich mir nicht ganz sicher.

Schon zehn Jahre nach der Publikation der ART wurde immer deutlicher, dass sich das Universum ausdehnt. Der Astronom Edwin Hubble hatte die Rotverschiebung der Spektrallinien des Lichts entdeckt und der Physiker Alexander Friedmann lieferte die theoretische Beschreibung eines (gleichmäßig!) expandierenden Weltalls dazu. Diese - beobachtete - "Galaxienflucht" führte letztlich zur Theorie des "Urknalls". Vor 13,7 Milliarden Jahren muss ein Zustand unendlich hoher Dichte vorgelegen haben, woraus durch Expansion unser Weltall entstanden ist. Unklar ist, ob diese Ausdehnung unendliche Zeit andauern wird, oder ob sie irgendwann zum Stillstand kommt und wegen der Wirkung der Gravitation in eine Kontraktion übergeht. Ähnlich wie ein Ball, den man im die Höhe wirft und der, wegen der Schwerkraft, schließlich umkehrt und nach unten fällt. Sozusagen ein umgekehrter Urknall.

Dunkle Energie contra Schwerkraft

Künftige Generationen brauchen jedoch nicht zu befürchten, dass Ihnen die Sterne und Galaxien - wegen der anziehenden Schwerkraft - so schnell auf den Kopf fallen. Im Gegenteil: vor knapp zwanzig Jahren haben die drei Physiker Riess, Schmidt und Perlmutter entdeckt, dass es im Weltall noch eine weitere, viel größere Gegenkraft gibt, welche das Universum auseinander treibt und gegen die Schwerkraft (erfolgreich) ankämpft. Die Astrophysiker nennen sie "Dunkle Energie", weil ihr Wesen den Experimenten (noch nicht) zugänglich ist und sie deswegen weitgehend im Dunkel bleibt. Fakt ist aber, dass diese Dunkle Energie einen solchen Druck ausübt, dass sie die riesigen Galaxien beschleunigt auseinander treibt. Das bedeutet, dass zwei beliebige Sternhaufen, die sich noch vor wenigen Minuten mit einer bestimmten Geschwindigkeit voneinander entfernen, in diesem Moment bereits schneller auseinander driften. Es ist, als würde der "Liebe Gott" auf dem Gaspedal stehen bleiben.

Die Physik-Nobelpreisträger 2011(v. l.):  Adam G. Riess, Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt

Die Existenz der Dunklen Energie ist eindeutig erwiesen, im Jahr 2011 haben die drei oben genannten Physiker dafür den Nobelpreis erhalten. Eine wissenschaftliche Erklärung für dieses Phänomen gibt es aber noch nicht. Man tappt buchstäblich noch im Dunkeln. Rechnerische Abschätzungen haben allerdings ergeben, dass das Weltall zu 70 Prozent mit dieser Dunklen Energie angefüllt sein muss. Weitere 25 Prozent gehen auf das Konto der Dunklen Materie, welche als eine Art "Klebstoff" die Galaxien davor bewahrt durch die Fliehkraft auseinander gerissen zu werden. Und gerade mal 5 Prozent sind der menschlichen Beobachtung zugänglich, also beispielsweise Sonne, Mond und Sterne. Man nennt sie die baryonische Materie, um welche die klassische Physik kreist.

Erklärungsversuche zur Dunklen Energie

Derzeit gibt es zwei Hypothesen, um das Wesen der Dunklen Energie zu erklären: die Vakuumenergie und die Quintessenz. Die "Vakuumhypothese" geht von der Quantenmechanik aus, diese kennt kein Nichts. Selbst in einem perfekten Vakuum ist Energie enthalten, weil dort immer wieder "virtuelle Teilchen" entstehen. Das sind Paare aus Teilchen und Antiteilchen, die spontan entstehen und sich nach kürzester Zeit gegenseitig wieder vernichten. Diese "flimmernden" subatomaren Objekte enthalten Energie, welche der Gravitation entgegen wirkt, also das Weltall auseinander drücken können. Die Vorstellung entspricht einem Gedanken, den bereits Albert Einstein hatte, als er die sogenannte "kosmologische Konstante" in seine Feldgleichungen einführte.

Alternativ könnte es sich bei der Ursache der Dunklen Energie auch um ein Energiefeld handeln, das die Physiker "Quintessenz" nennen. Es durchdringt das Universum und versieht jeden Punkt des Raumes mit einer Eigenschaft, welche der anziehenden Gravitation entgegen wirkt. Die Physiker kennen solche Felder bereits mit der Gravitation und dem Elektromagnetismus. Grob vereinfacht kann man sich die Quintessenz als einen Ball vorstellen, der an jedem Raumpunkt bergab rollt. Wenn das Quintessenz-Teilchen leicht genug ist, läuft es - etwa im heutigen Weltall - zuerst sehr langsam, weil es relativ wenig Bewegungsenergie besitzt. Das  ändert sich mit der Zeit. Man kann sich vorstellen, dass in der kosmischen Frühzeit die Gravitation der Expansion noch sehr effektiv entgegen wirken konnte, wodurch großräumige Strukturen, also Sonnensysteme und Galaxien entstehen konnten. Als jedoch das Universum einige Milliarden Jahre alt war, dünnte die Materie aus. Die Beschleunigung gewann die Oberhand über die Schwerkraft und stoppte so die weitere Bildung von Sternhaufen.

Vom Graus der großen Zahlen

Als die Astronomen die beschleunigte Expansion des Weltalls sichergestellt und die Physiker die Vakuumenergie als mögliche Ursache benannt hatten, machten sich die mathematisch versierten Physik-Theoretiker daran, die Dunkle Energie zu berechnen. Dabei kam es zu einer Riesenüberraschung. Die Aufsummierung aller möglichen Quantenzustände führte nämlich zu einer Gesamtenergie, die um 120 Größenordnungen über den Messwerten der Astronomen lag. Selbst bei Berücksichtigung neuerer Erkenntnisse aus der Supersymmetrie blieb noch eine Differenz von einigen Dutzend Größenordnungen. Für diese enorme Diskrepanz gibt es bis heute noch keine schlüssige Erklärung.

Stattdessen taucht als Erklärungsmuster immer mehr die fantastische Idee von "Parallelwelten" auf. In jeder dieser separaten Universen könnten andere Naturgesetze und andere Naturkonstanten herrschen. So könnte in einigen dieser Welten die Abstoßung von Anbeginn so heftig sein, dass sich die dortige Materie nie zu Galaxien zusammengeklumpt hat, also menschliches Leben, wie wir es gewohnt sind, nicht möglich ist. Es gibt Forscher, welche die "kosmische Inflation", kurz nach dem Urknall, als Quelle der Paralleluniversen vermuten. In diesem "Aufbrodeln" könnten ihrer Meinung nach, diese Tochteruniversen entstehen. Benutzt man darüber hinaus die Stringtheorie, so könnte das "Multiversum", also die Gesamtheit aller Universen, aus zehn hoch 500 Universen bestehen. Die ist eine unvorstellbar hohe Zahl, wenn man bedenkt, dass es in unserem Weltall nicht mehr als zehn hoch 80 Atome gibt.

Die Vorstellung von Parallelwelten fasziniert die Freunde von Science Fiction und Star Wars immer wieder aufs Neue. Bei den Physikern steigt eher der Blutdruck, wenn das Wort Multiversum nur fällt. Sie halten solche Konzepte für schlicht spekulativ, weil diese mit ihren bewährten wissenschaftlichen Methoden nicht überprüfbar sind. Die Existenz von Parallelwelten nachzuweisen ist - Stand heute -  nicht möglich. Ihre Akzeptanz wäre das Ende der Astrophysik.

Ein Ausweg ist derzeit noch nicht gefunden. Stattdessen hat man das Problem an die Astronomen für weitere Messungen zurückgegeben. Die Astronomen haben zu diesem Zweck das internationale Projekt "Dark Energy Survey" (DES) gegründet, welches mit den leistungsstärksten Fernrohren und Kameras unseren Kosmos präzis vermessen soll. (Eine moderne "Vermessung der Welt" nach Kehlmann). Über 400 Wissenschaftler, auch aus Deutschland, beschäftigen sich nun damit, eine hoch aufgelöste Karte unseres Weltalls zu liefern. Dabei sollen 200 Millionen Galaxien und viele Sternexplosionen (Super Novae) vermessen werden. Das Ziel ist, die Geschichte der Expansion unseres Weltalls während der vergangenen zehn Milliarden Jahre experimentell zu bestimmen.

Alle Astrophysiker weltweit blicken gespannt auf diese Ergebnisse und erhoffen sich aus dieser Erkundung der Vergangenheit nun Antworten zur Zukunft unseres Weltalls.

Eine Reise zum Schwarzen Loch

Die Deutschen sind Reiseweltmeister. Mancher Abiturient, mit einem 3,1 Examen, bekommt von seinen freudig erregten Eltern, zum Dank für seine Leistungen, nicht selten eine Reise nach Neuseeland geschenkt. Im anschließenden Berufsleben, etwa als Schraubenvertreter, hat er schon bald den ganzen Globus bereist. Es fehlt erkennbar an neuen Reisezielen, unsere gute alte Erde ist uns einfach zu eng geworden - auch wenn wir (kostenfrei!) jedes Jahr mit ihr um die Sonne schippern. Immerhin eine Reise von ca. einer Milliarde Kilometern durch den Weltraum, die in der Regel ohne  Unfälle verläuft und viel zu wenig geschätzt wird.

Neue Reiseziele müssen also her. Unsere Nachfahren in einigen hundert Jahren werden dies noch dringlicher empfinden als wir heutzutage. Vermutlich wird man im Jahr 2516 Ausflüge ins äußere Sonnensystem oder gar in die Tiefen des Universums anbieten. Dort kann man beispielsweise neue Planeten ansteuern. Leider sind diese Exoplaneten zumeist reine Gaskörpern, in die man einsinken und ersticken kann. Oder sie bestehen aus langweiligem Gestein ohne Fauna und Flora, die wegen  fehlender Atmosphäre nur schwer zu bewohnen sind. Nein - ich empfehle unseren Nachgeborenen etwas viel spannenderes: eine Reise zu einem Schwarzen Loch.

Schwarze Löcher können entstehen, wenn ein leuchtender Stern seinen Energievorrat aufgebraucht hat und anschließend implodiert, also aufgrund seines restlichen Gewichts in sich zusammenkracht. (Wie die abgebrannten Holzscheite in einem Kamin). Es entsteht eine Art "kosmisches Abflussrohr": alles was in seine Nähe kommt - ob Materie oder Licht - wird von dem Schwarzen Loch einfach verschluckt. Im Falle unserer Sonne hätte das - vermutlich erst in fünf Milliarden Jahren - entstehende Schwarze Loch einen Restdurchmesser von nur ca. sechs Kilometern; würde man die Erde zu einem Schwarzen Loch verpressen, so kämen sogar nur zwei Zentimeter heraus. Im Innern unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, befindet sich ein geradezu monströses Loch, das die Masse von ursprünglich vier Millionen (!) Sonnen auf die Größe unseres derzeitigen Sonnensystems zusammen presst.

 Schwarzes Loch mit Ereignishorizont

(-sofern man es mit den Augen sehen könnte)

Was genau sich in einem Schwarzen Loch befindet, das weiß niemand wirklich, da man - einmal angezogen - ihm nicht mehr entkommen kann. Allgemein wird dort eine Art "hochverdichtete Energie" vermutet, die eine gigantische Gravitationskraft auf ihre Umgebung ausübt.

Für interstellare Reisen, insbesondere wenn man sie (fast) mit Lichtgeschwindigkeit durchführen möchte, braucht man viel Energie. Mutig unterstellen wir mal, dass in fünfhundert Jahren der Raketenantrieb mit sogenannter Antimaterie zur Verfügung steht. Man kann diese (negativ geladene) Materie heute schon - in geringen Mengen - in Teilchenbeschleunigern wie dem LHC in CERN erzeugen. Im Kontakt mit gewöhnlicher Materie wird die Antimaterie sofort "vernichtet". Es entstehen bei diesem Kernprozess allerdings "Strahlen", die man, zumindest theoretisch, als "Treibgas" für Raumschiffe verwenden könnte.

Noch im Sonnensystem

Wenn unser Raumschiff in 500 Jahren startet, dann ist für die auf der Erde zurückbleibenden Menschen sicher, dass sie dessen Rückkehr nicht mehr erleben werden. Nehmen wir an, dass das Raumschiff eine Geschwindigkeit von 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht und 10 Jahre unterwegs ist (nach Wahrnehmung der Insassen!), so sind für die Menschen auf der Erde mittlerweile mehr als 10.000 Jahre vergangen. Kaum jemand wird sich noch an diese Mission erinnern. Diese Zeitdifferenz errechnet sich aus der Speziellen Relativitätstheorie, welche der Physiker Albert Einstein 1905 herausgeknobelt hat und die inzwischen vielfach experimentell bewiesen ist.

Ein lohnendes erstes Ziel wäre für unsere Raumfahrer sicherlich der Planet Saturn, welcher ungefähr zehn Mal so weit von uns entfernt ist, wie die Sonne. Der Saturn ist nicht nur ein Gasplanet, sondern ein wahres Kunstwerk am Himmel. Er ist von tausenden schmalen Ringen umgeben, die - wie eine Hutkrempe - den Planeten umschließen. Steuert unser Raumschiff zu diesem attraktiven Ringsystem, so stellt die Besatzung bald fest, dass es vergleichsweise sehr dünn ist. An den meisten Stellen ist es nur wenige Meter dick und die kubikmetergroßen Bruchstücke bestehen in der Regel aus Wassereis mit Silikatbeimengungen. Das Durchqueren der Ringe ist also kein Problem, zumal die Trümmer kilometerweit auseinander liegen.

Jenseits vom äußersten Planeten Neptun, etwa fünfzig Sonnenabstände von der Erde, erstreckt sich der sogenannte Kuiper-Gürtel. Diese ringförmige Region ist gewissermaßen der Schrottplatz aus der früheren Planetenbildung. Schätzungsweise 70.000 Objekte, einige mehr als hundert Kilometer im Durchmesser, kreisen dort und kommen gelegentlich auch in Erdnähe. Dort werden sie als Kometen wahrgenommen. Der berühmteste unter ihnen ist der Halleysche Komet, welcher im Mittel alle 76 Jahre der Erde einen Besuch abstattet. Seine nächste Wiederkehr ist für das Jahr 2061 berechnet.

Eine weitere Trümmeransammlung, die sogenannte Oortsche Wolke, befindet sich noch weiter außen und bildet sozusagen die Begrenzung unseres Sonnensystems. Mehr als eine Milliarde von kleinen Himmelskörpern tummelt sich dort und wird - trotz der riesigen Entfernung - von der Gravitationskraft unserer Sonne in der Spur gehalten. Noch ist die Oortsche Wolke nur über Berechnungen nachgewiesen; unser Raumschiff würde ihre Existenz erstmalig verifizieren.

Am Schwarzen Loch

Allmählich verlässt unser Raumschiff das Sonnensystem. Unsere Sonne ist nur noch als kleines leuchtendes Pünktchen zu sehen. Die Raumfahrer begreifen, dass das Universum zum allergrößten Teil aus "Nichts" besteht. Die Abstände zu den Sternen und Planeten sind gigantisch. Es dauert fast vier Jahre, bis das Raumschiff in die Nähe der nächsten Sonnen gerät, des Doppelsterns Alpha Centauri. Er besitzt nur einen Planeten, der aus Gas besteht und demnach unbewohnbar ist. Nach weiteren vier Jahren taucht der hell leuchtende Stern Sirius auf. Er gehört zu den jungen Sonnen mit einem geschätzten Alter von nur 240 Millionen Jahren. Und weiter geht die Reise. Die Mannschaft an Bord (einige tausend Menschen) beginnt sich zu reproduzieren. Die ersten Kinder werden geboren und in der Bordschule in den Zweck der Mission eingeweiht. Sie haben nie etwas anderes gesehen als das dunkle Weltall und finden sich damit ab.

Endlich, nach vielen Jahren, nähern sich die Raumfahrer dem Ziel ihrer Reise. Die Gravitationswellen deuten an, dass ein mittelgroßes Schwarzes Loch bestehend aus ehemals 30 Sonnen am Horizont sein muss. Die Analyse dieser Wellen ergibt jedoch, dass man noch weit vom sogenannten "Ereignishorizont" entfernt ist. Man spricht auch vom "Schwarzschild-Kreis", benannt nach dem deutschen Mathematiker Karl Schwarzschild. Als Artillerieleutnant an der russischen Front 1916 löste dieser die Grundgleichungen der ein Jahr zuvor von Einstein entdeckten Allgemeinen Relativitätstheorie und kam zu der Erkenntnis, dass ein Schwarzes Loch ab einer gewissen Entfernung (nämlich dem Schwarzschild-Radius) alles in sich aufsaugt. Es gibt kein Entkommen mehr für nahe Himmelskörper, ja sogar Lichtstrahlen werden absorbiert. Die gilt natürlich auch für Raumfahrer, welche sich einem Schwarzen Loch bis zum Schwarzschild-Radius (ca. 100 Kilometer vor dem Loch) nähern sollten. Vergleichbar ist dies mit dem Zulauf zu einem Wasserfall. Wer als Paddler auf dem kanadischen Niagarafluss sich den berühmten Wasserfällen nähert, sollte rechtzeitig umkehren, um nicht von den abstürzenden Fluten mitgerissen zu werden.

Die Niagara-Wasserfälle

(oben rechts der zufliessende Niagarafluß)

Und was würden unsere Raumfahrerkolonie in der Nähe des Ereignishorizonts sehen? Enttäuschenderweise fast gar nichts, denn da selbst die Lichtstrahlen darin verschluckt werden, könnten sie nicht auf die Augen der Raumfahrer treffen. Also: mit Vollgas zurück Richtung Erde, um nicht in diesen Schlund hineingerissen zu werden.

Doch man darf annehmen, dass es zumindest einen mutigen jungen Raumfahrer gäbe, der damit nicht zufrieden wäre. Mit einem kleinen Beiboot würde er sich aussetzen lassen, um in Richtung des Loches zu steuern.  Angenommen die Beine des Astronauten wären auf das Loch ausgerichtet, dann würde er dort - anders als an Kopf und Schultern - bald ein gewisses "Ziehen", ähnlich wie bei einer mittelalterlichen Streckbank, spüren. Recht schnell würde der Schmerz den ganzen Körper erfassen und zum Tod des jungen Mannes führen. Bei einem rotierenden Loch würde er sogar noch zu einem "Spaghetti" verdrillt. Seine Schmerzensschreie kämen beim Mutterschiff  glücklicherweise nicht an, denn sie würden vom Schwarzen Loch verschluckt. Schließlich werden auch noch die Körperatome und -elektronen unseres mutigen Raumfahrers zerlegt werden und von ihm wäre nichts weiter übrig

als ein bisschen Energie - allerdings für den Rest der Ewigkeit.

Rosetta - Rendezvous im All

Ab und an besucht ein Komet unser Sonnensystem. Warum nicht auch mal einen Kometen besuchen? Das dachten sich wohl die Wissenschaftler der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA, als sie 1992 das Projekt "Rosetta" starteten. Gesagt, getan. Seit Oktober 2014 umrundet die Raumsonde Rosetta in zehn Kilometern Entfernung den Kometen mit der astronomischen Bezeichnung 67P und dem zungenbrecherischen Langnamen Tschurjumov-Gerasimenko, liebevoll Tschuri genannt. Einen Monat später setzte Rosetta die ca. einen Kubikmeter große und 200 Kilo schwere Sonde "Philae" auf Tschuri ab, wo diese (leider) in einem schattigen Gebiet auf ihre Auferweckung wartet. Das könnte im August diesen Jahres der Fall sein, wenn das Dreiergespann sich der Sonne genähert hat.

Kometen sind Überreste bei der Bildung des Sonnensystems und zumeist recht kleine Himmelskörper, welche im sonnennahen Teil ihrer Bahn durch Ausgasen einen leuchtenden Schweif entwickeln. Man kennt mehr als 5.000 von ihnen und jedes Jahr kommen ca. zehn weitere hinzu. Berühmt ist der Halleysche Komet, der schon 1986 - im Vorbeiflug - von der Raumsonde Giotto in ca. 600 Kilometern Entfernung fotografiert wurde. Und der Komet Hale-Bopp, welcher 1996 bis 97 mehr als 18 Monate lang von der Erde aus mit bloßem Auge beobachtet werden konnte.

Eine navigatorische Meisterleistung

Im März 2004 wurde die 3 Tonnen schwere Rosetta-Sonde (mit dem Lander Philae als Huckepack) am Weltraumbahnhof Kourou mit einer Trägerrakete Ariane 5G+ gestartet. Da keine existierende Rakete einen solch schweren Satelliten in eine Kometenbahn bringen kann, nutzte man diverse sogenannte "Swing-by-Manöver". Dabei dirigierte man die Sonde nahe an einen grossen Planten, wobei sie Fahrt aufnahm und  (zielgerichtet) in den Weltraum geschleudert wurde. Im Verlaufe ihres Flugs von 2005 bis 2009 passierte Rosetta drei mal ganz nahe die Erde und einmal den Mars. Danach hatte sie die nötige Geschwindigkeit und die richtige Orientierung hin zum Kometen Tschuri. Die exakte Navigation der Sonde über fünf Jahre hinweg war eine Meisterleistung der daran beteiligten Mathematiker.

Da die Energieversorgung durch die Solarzellen im großen Abstand von der Sonne nicht mehr ausreicht um alle Instrumente der Sonde zu bedienen, versetzte man Rosetta über zweieinhalb Jahre hinweg in einen "Winterschlaf", bei dem nur noch die aller wichtigsten elektrischen Geräte mit Strom versorgt wurden. Zur Erleichterung aller Forscher gelang es im Januar 2014 die Sonde wieder aus diesem Schlafmodus "aufzuwecken" worauf sie im August des gleichen Jahres in die Kometenbahn einschwenken und den Lander Philae absetzen konnte. In gut drei Monaten wird das Gespann den sonnennächsten Punkt erreichen und Ende diesen Jahres soll die Rosetta-Mission zu Ende gehen.

Tschuri und sein maximaler Schaden

In großer Entfernung von der Sonne bestehen Kometen nur aus dem Kern, der sich wiederum aus zu Eis erstarrtem Wasser, aus CO2-Eis sowie Methan und Ammoniak zusammensetzt. Beigemengt sind kleine Staubteile, weshalb man Kometen häufig als schmutzige Schneebälle bezeichnet. Bei Annäherung an die Sonne setzen die Kometen Wasserdampf frei, im Falle unseres Tschuri sind dies etwa ein Liter pro Sekunde.

Tschuri hat in etwa die Form einer großen Kartoffel mit einer deutlichen Einschnürung. Der größere Teilkörper ist maximal 4,1 Kilometer lang, bis zu 3,3 km breit und etwa 1,8 km hoch. Die Dimensionen des kleineren Teilkörpers liegen bei einer Länge von 2,6 km, einer Breite von 2.3 km und einer Höhe von 1,8 km. Aus der Nähe von Rosetta betrachtet, muss Tschuri gigantisch aussehen. Man kann durchaus den Eindruck einer Dolomitenlandschaft haben, wobei sich schroffe "Berge" von mehreren hundert Metern auftürmen. Die Gewichtskraft ist dort allerdings 60.000-mal kleiner als auf der Erde. Das bedeutet, dass ein Mensch auf Tschuri nur ein Gewicht von 1,5 Gramm haben würde - sicherlich problematisch beim Wandern und Bergsteigen!

Der Komet Tschuri, aufgenommen von den Rosetta-Kameras

Erstaunlich niedrig ist die mittlere Dichte des Kometenkerns, die mit 0,47 Gramm pro Kubikzentimeter berechnet wurde. Sie ist damit geringer als die Hälfte der Dichte von Wassereis und liegt somit in der Nähe von Kork. Der Komet 67P ist also kein massiver Eisblock mit Verschmutzungen, sondern weist eine große Porosität auf. Die Forscher gehen von einem Porenvolumen von 70 bis 80 Prozent aus.

Insbesondere von Laien wird immer wieder die Frage gestellt, was wohl passieren würde, wenn ein Komet auf die Erde stürzte. Nun, bislang ist dies nicht geschehen, weshalb keine Erfahrungen vorliegen. Angesichts der hohen Porosität und der niedrigen Dichte solcher Himmelskörper könnte man die Vermutung hegen, dass solche Kometen bei der Annäherung an die Erde verdampfen und die Auswirkungen eines  "Impakts" gefahrlos wären. Dies ist jedoch eine falsche Einschätzung.

Denn man muss die erhebliche Masse eines solchen Himmelskörper berücksichtigen. Im Fall des Tschuri wären dies immerhin rund 10 Milliarden Tonnen! Zwar lässt sich nicht vorhersagen, ob der Kometenkern kurz vor dem Aufschlag auseinander bricht, aber der Großteil seiner Masse würde die Erdoberfläche erreichen und dort einen Einschlagkrater erzeugen. Dabei würde der Kern restlos verdampfen und der Krater könnte einen Durchmesser von 80 Kilometer erreichen. Zum Vergleich: der jüngste größere irdische Einschlagkrater, das Nördlinger Ries an der württembergisch-bayerischen Grenze hat einen Durchmesser von rund 24 Kilometern. Im Umkreis von 1000 Kilometern wäre sicherlich jegliches Leben durch die Hitze der Explosion und die nachfolgenden Stoßwellen ausgelöscht.

Allerdings, und das zum guten Schluss, haben wir von 67P nichts zu befürchten. Seine Umlaufbahn um die Sonne ist stabil und auch in Sonnennähe noch rund 50 Millionen Kilometer von der Erdbahn entfernt. In den nächsten 10.000 Jahren wird er sich darüber hinaus bei seinen Sonnenumläufen nach und nach zu Staub auflösen, da sein Vorrat an Eis immer kleiner wird. Also große Entwarnung!

99 Jahre Relativitätstheorie

Auf Hollywood ist Verlass. Pünktlich zum 99. "Geburtstag" von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie kommt die Traumfabrik mit einem dreistündigen Science-Fiction-Opus heraus, in dem Astrophysik und Erlebniskino in aufwendiger Weise miteinander vereint sind. Im Film "Interstellar" durchfliegt das Raumschiff "Endurance" das Universum in der Suche nach einen bewohnbaren Planeten. Auf der Erde war es wegen des Klimawandels inzwischen höllisch heiß und staubig geworden, sodass der Farmer und ex-Astronaut Cooper ein übrig gebliebenes Raumschiff der NASA griff und mit einer Handvoll Gefährten in den Weltraum düste. Über ein sogenanntes Wurmloch in der Nähe des Saturns gelangen sie zu einer anderen Galaxie außerhalb der Milchstraße, entkommen dabei mit knapper Mühe (durch Lastabwurf!) dem Schwarzen Loch "Gargantua" und finden tatsächlich bewohnbare Planeten. Die Gravitation spielt bei dieser Weltreise eine herausragende Rolle, weshalb immer wieder auf die Allgemeine Relativitätstheorie des bereits lange verstorbenen Wissenschaftlers Einstein verwiesen wird. Nach wenigen Stunden Reisezeit kommt die Besatzung (auf obskure Weise) wieder zurück auf die Erde und stellt fest, dass die Zurückgebliebenen inzwischen um mehrere Jahrzehnte gealtert sind. Die Spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein lässt grüßen.

Mit Geld hat man bei diesem Spektakel nicht gespart. Jede Minute soll eine Million Dollar verschlungen haben. und die Spezialeffekte - insbesondere beim Anflug auf das Schwarze Loch - sind beeindruckend. Der Drehbuchautor soll sich angeblich, zusammen mit dem US-Physiker und Bestseller-Autor Kip Thorne ("Gekrümmte Zeit und verbogener Raum"), ein volles Jahr in die beiden Relativitätstheorien vertieft haben. Die Freunde von "Enterprise" werden diesen Film, insbesondere in der Multiplexfassung, sicherlich genießen. Den wenigen Physikern im Zuschauerraum bleibt der Griff zur Pocorntüte und zur Colaflasche.

Genial - aber nicht nobelpreiswürdig

In gewisser Beziehung ist dieses Film-Epos von Regisseur Christopher Nolan eine Hommage an Einsteins größte wissenschaftliche Leistung: die Entdeckung der Allgemeinen Relativitätstheorie, abgekürzt ART. Vor fast genau 99 Jahren, am 25. November 1915, hielt er darüber erstmals einen Vortrag in Berlin bei der Preußischen Akademie der Wissenschaften. Die ART beschreibt die Wechselwirkung zwischen Materie einerseits sowie Raum und Zeit andererseits. Sie deutet die Schwerkraft (Gravitation) als geometrische Eigenschaft der gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit. (Pardon, einfacher lässt sie sich nicht "erklären"). Die ART erweitert die ebenfalls von Einstein, aber schon zehn Jahre vorher entdeckte Spezielle Relativitätstheorie (SRT), und geht für hinreichend kleine Gebiete der Raumzeit in diese über.

Die wichtigsten Erkenntnisse der SRT sind, dass die Lichtgeschwindigkeit c in jedem Bezugssystem denselben Wert besitzt, also eine Konstante ist. Entfernungen und Zeiten hängen demnach vom Bewegungszustand des Betrachters ab, wodurch Zeitreisen im Universum - zumindest theoretisch - möglich sein sollten. Außerdem entdeckte Einstein, im Zusammenhang mit der SRT, die Äquivalenz von Masse und Energie, also die berühmte Gleichung E=mc², worauf u. a. die Energieerzeugung in Kernreaktoren beruht. Materie ist gewissermaßen hochverdichtete Energie.

Einstein wurde zeitlebens zwar nur von wenigen wirklich verstanden, aber von den Menschen fast wie ein Popstar verehrt. Die Medien stürzten sich auf ihn und als er einmal einem Pulk von Pressefotografen mit knapper Mühe im Auto entkam, entstand das berühmte Bild mit der schadenfroh heraushängenden Zuge.

Es ist kaum zu glauben, dass Einstein für keine dieser beiden Relativitätstheorien den Nobelpreis der Physik erhielt. Der Mediziner Alivar Gullstrand, selbst Träger des Nobelpreises für Medizin im Jahr 1911, verhinderte dies erfolgreich. Gullstrand war als Jurymitglied des Nobelpreiskomitees nicht von der Richtigkeit beider Theorien überzeugt, wodurch er die Vergabe des Preises an Einstein verhindern konnte. Erst 1922 sorgte ein jüngeres Jurymitglied mit einem Trick dafür, dass Einstein endlich diese Trophäe erhielt. Der Physiker wurde für die Entdeckung des "photoelektrischen Effekts" ausgezeichnet, eine Entdeckung, die er bereits im Jahr 1905 gemacht hatte, welche aber - obschon nobelpreiswürdig - an den Rang der beiden Relativitätstheorien nicht heran kam.

                                                      Albert Einstein (1879 - 1955)

Auf der Suche nach der Weltformel

Die Allgemeine Relativitätstheorie wurde von den Astronomen immer wieder experimentell bestätigt. Das erste Mal geschah dies 1919, als man bei einer Sonnenfinsternis die Ablenkung (Aberration) des Sternenlichts durch die Schwerkraft der Sonne messen konnte. Zusammen mit der Quantentheorie stellt die ART die Krönung der theoretischen Physik dar. Viel Aufwand wurde seither damit betrieben, die "Weltformel" zu finden, den "heiligen Gral" der klassischen Physik. In dieser Weltformel sollten alle Kräfte der Physik vereint sein, also die Gravitation, die starke und schwache Kernkraft sowie die elektromagnetische Kraft. Trotz ungeheurer Anstrengungen ist es bis dato nicht gelungen, diese Weltformel zu entdecken.

Stattdessen zeigten sich immer mehr die Grenzen der Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Ihre Anwendung versagt, wenn Raum und Zeit gegen Null und die Energiedichte sowie die Temperatur gegen Unendlich gehen. Diese sogenannten Singularitäten verhindern beispielsweise die Beschreibung des Urknalls sowie der Schwarzen Löcher. In das Standardmodell der Kosmologie mussten mindestens drei unbekannte Größen eingeführt werden, um irritierende astronomische Daten zu erklären. Dies sind die Dunkle Materie, welche die Dynamik der Galaxien erklärt, sowie die noch mysteriösere Dunkle Energie, welche die beschleunigte Ausdehnung des Weltalls antreibt. Schließlich benötigt man noch ein hypothetisches Feld, das Inflaton genannt wird und das unser Weltall Sekundenbruchteile nach dem Urknall überhaupt erst so groß gemacht hat, wie es jetzt ist. Ohne das Inflaton hätte das Weltall nur die Größe eines Fußballs.

Ganze Heerscharen der besten Physiker versuchen seit fast zwei Generationen diese Phänomene zu erklären und in eine schlüssige mathematische Theorie zu pressen. Die Stringtheorie ist dafür ein Beispiel. Leider ist die einheitliche Beschreibung der Kräfte und Felder bis dato nicht gelungen. Im Gegenteil: die Struktur des Mikrokosmos und des Makrokosmos wird immer verwirrender. Elf Raumzeitdimensionen benötigt die Stringtheorie, von Anschaulichkeit keine Spur. Inzwischen deutet manches darauf hin, dass die Raumzeit nicht fundamentaler Natur ist, sondern sich aus winzigen Mikrostrukturen aufbaut - ähnlich wie ein Foto, das sich bei näherer Beobachtung in einzelne Bildpunkte auflöst. Auch die Schwerkraft könnte nach Meinung mancher Physiker möglicherweise keine grundlegende Eigenschaft des Raumes sein, sondern lediglich eine abgeleitete Größe, ähnlich wie die Temperatur. All diese Spekulationen hätten zur Folge, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zwar weiterhin gültig ist, aber nicht mehr in der allgemeinen Form, sondern eher als Sonderfall einer allumfassenden neuen Theorie, ähnlich wie Newtons klassische Mechanik ein Einzelfall im Rahmen der ART und SRT ist.

Einstein war zeitlebens von der Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie überzeugt, arbeitete aber  dessen ungeachtet an ihrer "Revision", indem er immer wieder die Gültigkeitsgrenzen der ART auslotete. Er drückte es so aus: "Für eine physikalische Theorie kann es kein schöneres Schicksal geben, als dass sie in einer umfassenderen Theorie als Grenzfall weiter lebt". Bei dieser lebenslangen Suche war Einstein auf sich allein gestellt. Obschon vielfacher Professor, bildete er nicht einen einzigen Doktoranden aus. In seiner Wissenschaft wollte er Einzelgänger bleiben.

Einsteins Tod

Einstein starb am 18. April 1955 im Alter von 76 Jahren in Princeton, USA, an inneren Blutungen, die durch die Ruptur eines Aneurysmas im Bereich der Aorta verursacht wurde. Die Nachtschwester berichtete, dass er kurz vor seinem Tod etwas auf Deutsch gemurmelt habe. Er wurde noch an seinem Todestag verbrannt; seine Asche wurde, seinem Wunsch entsprechend, an einem unbekannten Ort verstreut. Gegen den Willen Einsteins erfolgte jedoch vorher eine Obduktion. Bei dieser Operation entwendete der Pathologe Thomas Harvey das Gehirn des toten Einsteins. Er wollte es - ob seiner möglicherweise einzigartigen Struktur - für weitere Untersuchungen der Nachwelt erhalten. Harvey verlor daraufhin die ärztliche Approbation und musste sich jahrelang als Fabrikarbeiter durchschlagen. Eine besonders auffällige Struktur der Gehirnwindungen konnte bei den medizinischen Untersuchungen allerdings nicht gefunden werden. 1997 übergab Harvey Einsteins Gehirn in zwei Einweckgläsern an dessen Enkelin in Kalifornien.

KIT: Wann kommt Katrin?

Im früheren Kernforschungszentrum Karlsruhe, das im August 2006 von einem ehemaligen Geschäftsführer (Popp) der Universität Karlsruhe - unter Umgehung wichtiger interner Gremien - zum KIT angedient wurde ("wir wollen heiraten"), gab es eine große Anzahl von Projekten, die entweder von dem KfK selbst, oder unter seiner maßgeblichen Mitwirkung, angegangen wurden. Stellvertretend dafür seien Folgende genannt: FR 2, MZFR, KKN, HDR, WAK, KNK I, KNK II, SNEAK, Beta, HZ, SNR 300, EFR, KASCADE, GALLEX, KARMEN, Pierre Auger, CREST, Edelweiß, GERDA, Cast, Lopes, AMS, H.E.S.S., MAGIC, Virgo, GLAST, AMANDA, ANTARES etc .etc. Sie bewegten sich allesamt im finanziellen Bereich von Millionen bis sogar Milliarden. Viele kleinere Vorhaben, deren Wertigkeit und Wichtigkeit ich keinesfalls gering schätzen möchte, sind in dieser Aufzählung noch gar nicht vorhanden.


Demgegenüber gibt es nunmehr in diesem Leopoldshafener Areal - KIT Campus Nord genannt - praktisch nur noch zwei Großprojekte: bioliq und KATRIN. Beide befinden sich, finanziell und terminlich gesehen, in beträchtlicher Schieflage. Über bioliq wurde bereits in einem früheren Blog berichtet. Auch bei KATRIN, dem Bereich der Astrophysik zugehörend, scheint es allerhand Probleme zu geben. Was diese beiden Projekte von den meisten oben genannten kerntechnischen Projekten unterscheidet ist, dass die Einflussnahme der Genehmigungsbehörden gering ist und, dass sie unter dem Wohlwollen der Bevölkerung abgewickelt werden können. Dementsprechend wären sie eigentlich viel einfacher abzuwickeln.

Das Hauptspektrometer für KATRIN beim Transport durch Leopoldshafen

Ein winziges Teilchen

Das "Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment" - KATRIN - hat die direkte Bestimmung der Masse des sogenannten Elektron-Neutrino zum Ziel. Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik wurden die drei bekannten Neutrino-Arten zunächst als masselos angenommen. Verschiedene frühere Experimente, wie Gallex und Super-Kamiokande, ließen jedoch vermuten, dass die Neutrino-Ruhemasse von Null verschieden sein könnte. Dem will man im KATRIN-Experiment nachgehen. KATRIN ist also, etwas platt gesprochen, eine Waage für ein wichtiges Kernteilchen.


Die beim Urknall erzeugten Neutrinos sind die häufigsten massebehafteten Teilchen im Universum: jeder Kubikzentimeter enthält (ungefähr) 336 Neutrinos. Als Teilchen der Heißen Dunklen Materie haben sie die Entstehung und Evolution großräumiger Strukturen im Universum mit beeinflusst. Eine Möglichkeit, die rätselhafte Rolle der Neutrinos in einer modellunabhängigen Weise zu bestimmen, ist die genaue Messung der Energieverteilung von Elektronen aus Betazerfällen. Beim Betazerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein elektronisches Anti-Neutrino um.

Aus Untersuchungen an atmosphärischen Neutrinos kann geschlossen werden, dass die Neutrinomasse mindestens 0,05 Elektronenvolt (eV) schwer sein muss. Dabei ist 1 eV die winzige Masse von 1,8 mal 10 hoch minus 36 Kilogramm! Denkbar ist aber auch, dass die gesuchte Masse des Neutrinos um mehrere Größenordnungen über dem genannten Wert liegt. Messungen in Mainz führten zu einer Obergrenze für die Ruhemasse des Neutrinos um 2,3 eV. Um in den kosmologisch interessanten Bereich unterhalb 1 eV vorzustoßen, ist ein neues Experiment erforderlich - eben KATRIN - das über eine hundertmal intensivere Tritiumquelle und eine fünfmal bessere Energieauflösung als die bisherigen Experimente verfügen muss.

Ein riesiges Experiment

Das insgesamt 75 Meter lange Experiment KATRIN gliedert sich in vier große funktionale Einheiten: eine hochintensive molekulare Tritiumquelle, die 10 hoch 11 Betazerfälle pro Sekunde liefert, eine Tritium-Pumpstrecke, in der die Moleküle aus der Strahlführung eliminiert werden, ein System aus zwei elektrostatischen Spektrometern zur Energieanalyse sowie einem Detektor zum Zählen der transmittierten Elektronen. Wesentliche technologische Herausforderungen sind das hohe Vakuum (10 hoch minus 11 Millibar!) und die Temperaturstabilität der Quelle. Eine der Tritiumquellen ist "fensterlos", was eine gesonderte Technologie erfordert. Sie ist gewissermaßen das Arbeitspferd des Experiments, da sie erlaubt, das Tritiumspektrum mit der höchstmöglichen Energieauflösung zu untersuchen und somit eine maximale Luminosität für die Beta- Zerfallselektronen bereitstellt.

Der 200 Tonnen schwere, 24 Meter lange Vakuumtank mit einem Durchmesser von 10 Metern für das KATRIN-Hauptspektrometer wurde von der Firma MAN in Deggendorf hergestellt. Der Tank war zu groß, um über Autobahnen transportiert zu werden. Er wurde deshalb über die Donau, durch das Schwarze Meer, das Mittelmeer, den Atlantik, den Ärmelkanal, die Nordsee und über den Rhein nach Leopoldshafen bei Karlsruhe per Schiff und am 25. November 2006 auf den letzten 6,8 km per Tieflader in viereinhalb Stunden durch den Ort Leopoldshafen zum Forschungszentrum gebracht. Dieser Umweg betrug ca. 8.600 km gegenüber der kürzeren Route mit 350 km auf dem Landweg.

Die Energieanalyse der Elektronen aus dem Betazerfall erfolgt bei KATRIN in zwei Schritten: Zunächst werden in einem kleinen Spektrometer alle Elektronen mit Energien unterhalb 18,4 eV aussortiert, da sie keine Informationen über die Neutrinomasse tragen. Im großen Hauptspektrometer wird dann die Energie nahe am Endpunkt präzise bestimmt. Dafür ist das oben genannte Ultrahochvakuum erforderlich und die Stabilität der Gegenspannung von 18,6 kV darf nur um weniger als ein Millionstel schwanken. Die transmittierten Elektronen werden schließlich in einem segmentierten untergrundarmen  Siliziumzähler nachgewiesen.

Ein langer Weg zum Ziel

Da KATRIN bei KIT Campus Nord als Projekt geführt wird, kann man ihm das technische Ziel sowie den finanziellen Aufwand und die erforderliche Zeitdauer zuordnen. Als Ziel für KATRIN wurde immer wieder benannt, die Ruhemasse des elektronischen Neutrinos um mindestens eine Größenordnung genauer als die früheren Messungen, zum Beispiel in Mainz und Russland, zu bestimmen. Inwieweit das zu erreichen ist, wird die Zukunft zeigen.

Über den finanziellen Aufwand für KATRIN ist in der zugänglichen Literatur nichts zu erfahren.  Weder die F&E-Berichte noch die jährlichen Budgetansätze sind für Außenstehende (und Steuerzahler) eruierbar. Das war früher anders. In der Zentralbibliothek des Zentrums bzw. bei den Projektleitungen waren diese Zahlen einsehbar. Trotzdem: In dem sogenannten "letter of intent", der immerhin 51 Seiten umfasst und der aus dem Jahr 2001 stammt, werden die Gesamtkosten des Projekts KATRIN auf 17 Millionen Euro beziffert; darin nicht eingeschlossen sind die Gehälter der Mitarbeiter.

Bleiben die Zeitdauer des Projekts und seine wichtigsten Etappen. Im letter of intent wird im Kapitel "Outlook and Conclusion" in Aussicht gestellt, dass der Bau des KATRIN im Jahr 2005 beendet sein soll, die Inbetriebnahme sowie die ersten Versuchsmessungen sollten 2006 erledigt werden und mit der Aufnahme der "long term data" sollte noch zum Ende des gleichen Jahres begonnen werden. Aus neueren Informationen im Internet kann man entnehmen, dass der Bau der Anlage erst im Jahr 2016 vollendet sein wird und der Versuchsbetrieb erst im Jahr 2022. Das sind Verzögerungen von 11 Jahren und mehr, die sicherlich auch von erheblichen Mehrkosten begleitet worden sind.

Der Projektleiter der KATRIN, Professor Dr. Guido Drexlin, könnte im Jahr 2022 bereits in den ehrenvollen Stand des "Emeritus" getreten sein.
Trotzdem:
ad multos annos, professore!

Unseriös

Nun ist es also raus: die Physiker am Genfer Kernforschungszentrum "CERN" haben keine Elementarteilchen produziert, die sich schneller als das Licht fortbewegen. Ein halbes Jahr lang haben sie die wissenschaftliche Welt mit der Vermutung elektrisiert, Neutrinos wären von Genf ins 730 Kilometer entfernte Gran Sasso in Italien mit einer Geschwindigkeit gereist, die um 0,002 Prozent grösser gewesen sei, als die Lichtgeschwindigkeit. (Ca. 299 792  Kilometer pro Sekunde).

 Die Neutrinos wurden im Rahmen des Forschungsprojekt "Opera" am Super Proton Synchrotron beim CERN erzeugt, indem man energiereiche Protonen auf eine Graphitfolie schoss. Im Untertagelabor des Gran-Sasso-Massivs hat eine zweite Gruppe von Wissenschaftlern die Zeit gemessen, welche die Kernteilchen für ihre Reise von den Alpen in die Abruzzen gebraucht haben. Angenommen wurde, dass die Neutrinos sich langsamer als Licht bewegen würden. Die Messungen indes erbrachten das Gegenteil: die Neutrinos waren - scheinbar - schneller!

Hier muss man mit der Kritik ansetzen. Statt ihre Messapparaturen genau zu überprüfen, gingen die (meist italienischen) Physiker sehr schnell an die Öffentlichkeit, z. B.  an die britische BBC und an die amerikanische New York Times. Dort kreierten sie Schlagzeilen, wie "Die spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein ist widerlegt". Zu einer Veröffentlichung ihrer neuen Theorie in einer seriösen wissenschaftlichen Zeitschrift fehlte ihnen wohl der Mut, vielleicht wurden sie dort auch abgewiesen. Nun mussten sie zugeben, dass ihre Messapparatur nicht in Ordnung war: ein banaler Stecker soll es gewesen sein, der die falschen Messdaten hervorgerufen hat. Das Ganze ist peinlich hoch drei. Bevor man Heroen der Physik, wie Albert Einstein, vom Sockel stürzt, hätten die Forscher  etwas länger nachdenken sollen und mehr Kritik gegenüber dem eigenen Tun üben sollen.

Denn Messungen an Neutrinos sind nicht trivial, sondern gehören zu den schwierigsten Aufgaben in der Experimentalphysik. Die Neutrinos wurden schon 1930 theoretisch von Wolfgang Pauli vorhergesagt, aber erst 1956 wirklich durch Messung verifiziert. Ihre Masse ist sehr, sehr gering, zudem gibt es nicht nur eine einzige Art von Neutrinos, sondern deren drei. Zur Verwirrung trägt weiterhin bei, dass sich diese Elementarteilchen ständig ineinander umwandeln. Von der Sonne erreichen uns in jeder Sekunde viele Milliarden Neutrinos, welche die Erde praktisch ohne Wechselwirkung durchdringen. Auch explodierende Sterne (Supernovae) setzen riesige Mengen an Neutrinos frei. Bei der Supernova1987A, die vor 25 Jahren in der Magellanschen Wolke explodierte, konnte man übrigens feststellen, dass die Neutrinos -  ebenso wie die Lichtteilchen -  zur gleichen Zeit auf der Erde ankamen. Wären die Theorien der Opera-Forscher richtig gewesen, dann hätten die Astronomen beide Teilchensorten zeitverschoben gemessen.


Voreilige Verlautbarungen

Blickt man die letzten vier Jahre zurück, dann ist es nicht das erste Mal, dass die Forscher am CERN und im Gran Sasso voreilig "hurra" geschrien haben. Ankündigungen von (angeblichen) Durchbrüchen in der Physik in der Weltpresse scheinen dort die Regel zu sein. Ich möchte nur drei solcher Fehlmeldungen nennen, die später korrigiert werden mussten. Im August 2008 wurde am CERN die Inbetriebnahme des weltgrössten Beschleuniger, des Large Hadron Collider (LHC),  verkündet. Es dauerte nur einen Monat, bis diese hochgepriesene Maschine einen gravierenden Störfall erlitt, der eine mehrjährige Reparatur erforderlich machte. Die Ursache waren schlampig durchgeführte Qualitätskontrollen.

Der Beschleuniger war kaum (bei Teillast) wieder in Betrieb, als in Genf ein Raunen um das sogenannte Higgs-Teilchen einsetzte. Dies ist ein von den Theoretikern vorhergesagtes Kernteilchen, welches den übrigen Elementarteilchen gewissermassen ihre Masse verleiht. Die Diskrepanzen in der sogenannten Standardtheorie der Kernphysik würden damit verschwinden. Noch haben die CERN-Physiker das Higgs-Teilchen nicht so glasklar nachgewiesen, sodass sie ihre Ergebnisse in den Zeitschriften Science oder Nature  publizieren können - aber immer wieder wird in der Weltpresse die Vermutung gestreut, dass unter den riesigen akkumulierten Datenmengen das Higgs-Teichen bereits "versteckt" sein könnte. Die berühmte Nadel im Heuhaufen, allerdings noch nicht wirklich gefunden.

Auch die italienischen Forscher im Gran-Sasso-Labor können bisweilen das Wasser nicht halten. Vor einigen Jahren verkündeten sie die Entdeckung des "Neutralino", eines Teilchens, das zur sogenannten Dunklen Materie gehört und welches von den String-Theoretikern heftig gesucht wird. Auch diese Pressemeldung musste später zurückgezogen werden. Angeblich hatten "Nebeneffekte" die Messungen negativ beeinflusst.

All diesen Hurra-Rufen ist gemeinsam, dass mit ihnen Durchbrüche in der Physik verbunden gewesen wären. Die Entdeckung der Überlichtgeschwindigkeit, des Higgs-Teilchens und des Neutralinos würden mit dem Nobelpreis der Physik honoriert, das kann man mit ziemlicher Sicherheit annehmen. Vielleicht ist es dieses lockende Ziel, welches die Forscher frühzeitig, nein allzu frühzeitig, "hier" rufen lässt. Im Kampf um diese ultimative Ehrung ist wohl manchem jedes Mittel recht.

Was lernen wir daraus? Nun, Physiker sind eben auch nur Menschen, bisweilen sogar unseriöse.

Reise ins Weltall? Ein Traum.

Sich zu den Sternen zu erheben, ist seit jeher ein Traum der Menschheit. Mit dem Apollo-Flug zum Mond ist das gelungen - aber nur ansatzweise. Schon die Mission zum Mars scheitert bislang an den hohen Kosten und (viel problematischer) an der schädlichen Strahlung im Weltall, welche die genetische DNS der Astronauten zerstören könnte. Immerhin: am 21, Juli 1969 haben Astronauten der USA zum ersten Mal den Mond betreten. Fünf weitere erfolgreiche Missionen folgten in den nächsten drei Jahren. Insgesamt waren 12 Menschen auf dem Mond, der von der Erde wenig mehr als eine Lichtsekunde entfernt ist.

Raumschiffe

Viel grössere Fortschritte als die amerikanische Weltraumbehörde NASA haben auf diesem Gebiet die Traumfabriken in Hollywood gemacht. Ihr Sternenschiff Enterprise vom Star Trek kreist bereits seit Jahrzehnten im Sonnensystem herum u. zw. nicht nur in unserem, sondern weit darüber hinaus. Der nächste Fixstern, Proxima Centauri, dient gerademal als Absprungstation für Exkursionen zu fernen Galaxien. Während Wernher von Braun und seine Mannen noch mit den Beschränkungen der Naturgesetze kämpften, welche ihnen Einstein und Newton auferlegt hatten, haben die Filmproduzenten diese längst gelöst - mit Hilfe der Sciencefiction.

Zwei wichtige "Breakthroughs" waren dafür notwendig: die Enterprise konnte, ohne Treibstoff mitschleppen zu müssen, im All umherkurven und ihre Reisegeschwindigkeit lag weit über der des Lichts. Wollte ein Raumschiff, wie es für die Apollo-Mission zum Mond verwendet worden ist, die Reise zu unserem nächsten Fixstern antreten, dann wäre es 900.000 Jahre unterwegs. Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit würden alle Treibstoffreserven der Welt nicht ausreichen, um dieses Limit zu erreichen. Ein Überschreiten dieser Grenze verbieten die Relativitätstheorien von Albert Einstein.

Demgegenüber ist die Enterprise mit Wundersystemen wie Warp-Drive und Hyperspace-Drive ausgestattet, die es auf Knopfdruck in die Überlichtgeschwindigkeit katapultieren. Und es nutzt die sogenannten Wurmlöcher, wodurch sich gewaltige astronomische Distanzen praktisch zeitlos abkürzen lassen. Einfach dadurch, dass es Orte ansteuert, wo sich der Raum stark krümmt und eine Raumfalte entsteht, welche zwei ansonsten weit auseinander liegende Punkte des Universums in unmittelbare Nachbarschaft bringt, ja sogar durch eine Art Verbindungstunnel (Wurmloch) schiffbar macht.

Als glatte Spinnerei betrachtet die NASA solche Ausgeburten der Sciencefiction vermutlich doch nicht; immerhin unterhält die Weltraumbehörde seit Jahren das John-Glenn-Forschungsinstitut in Cleveland, Ohio, wo eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern diese exotischen Ideen der Hollywoodregisseure evaluiert.

Raumsonden

Wesentlicher preiswerter kann man den Weltraum - richtiger gesagt unser Sonnensystem - mit unbemannten Sonden untersuchen. Im Jahr 1972 hat die NASA den 260 Kilogramm schweren Roboter Pioneer 10 (samt seiner Zwillingssonde Pioneer 11) auf die Reise geschickt. Er sollte insbesondere den Jupiter und den Asteroidengürtel zwischen diesem Planeten und dem Mars untersuchen. Nach 21 Monaten raste die Sonde in nur 134.000 Kilometern Entfernung an dem Gasplaneten Jupiter vorbei und fotografierte unter anderem seinen gelbbunten Gürtel, die Zonenbänder und den berühmten Roten Fleck. Die Sonde durchquerte auch ohne Kollisionen das Trümmerfeld der Asteroiden und befindet sich nun mit einer Geschwindigkeit von 60.000 Stundenkilometern auf dem Weg in den interstellaren Raum. Ausgestattet mit einer Atombatterie aus Plutonium-238, konnte sie noch bis zum Jahr 2003 den Funkkontakt mit den heimatlichen Antennen halten.

Als irdischer Sendbote trägt sie eine Grussbotschaft ihrer Erbauer. Auf einer goldplattierten Aluminiumtafel von DIN A4-Grösse ist ein unbekleidetes Mann/Frau-Paar eingeritzt mit grüssend erhobenem Arm. Daneben ist unser Sonnensystem skizziert mit der Flugbahn der Sonde und einigen kernphysikalischen Andeutungen. Wie gross ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine andere Zivilisation im Universum diese Tafel findet? Sicher verschwindend gering. Sie entspricht gewissermassen einer Flaschenpost, die wir in den kosmischen Ozean geworfen haben. Aber: auch eine Flaschenpost wurde schon gelegentlich gefunden!

Plakette der Weltraumsonde Pioneer 10 mit irdischen Assoziationen

Im Jahr 1977 standen die äusseren Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun in einer Linie, eine Anordnung, die es so nur alle 175 Jahre gibt. Für die NASA war das der Anlass, die Voyager-Sonden 1 und 2 zu starten, weil sich die beiden Raumfahrzeuge - wie Tarzan - von einem Gasriesen zum anderen "hangeln" und dabei deren Schwerkraft ausnutzen konnten. Die Sonden waren bein Start 825 Kilogramm schwer und wieder diente Plutonium-238 als Grundstoff für die Strombatterien.

Die Mission war ein voller Erfolg. Die Schleuderpassagen in der Nähe der Gasplaneten waren zeitlich genau abgestimmt und verliehen den Sonden genügend Schwung, um bis zum Neptun zu kommen. Dort entdeckten sie sechs weitere Monde zu den zwei bereits bekannten.  Darüberhinaus fotografierten sie auf dem Mond Triton aktive geysirartige Eruptionen, bei denen flüssiges Stickstoffgas mehrere Kilometer hoch in die Atmosphäre des Mondes geschleudert wurden. Bei Neptun selbst fanden sie zwei (saturnartige) Ringe, die von der Erde aus noch nicht beobachtet werden konnten.

Mit Stand vom Dezember 2010 haben die Voyager-Sonden die enorme Wegstrecke von 22.364.000.000 Kilometer zurückgelegt. Das sind genau 0,002 364 Lichtjahre.

Der nächste Fixstern ist 4,3 Lichtjahre entfernt!