100 Jahre dynamisches Universum

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

Verpasste Gelegenheit

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

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

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

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

Die Aktualität von de Sitters Schöpfung

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

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

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

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

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