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Revolution unseres Weltbildes : Der Vater des Urknalls

George Lemaître führte Mathematik und Beobachtungen zusammen. Dann kam er auf den Gedanken, dass die materielle Welt einen Anfang in der Zeit gehabt haben könnte. Bild: Archiv

Der belgische Astrophysiker Georges Lemaître zettelte eine tiefgreifende Revolution unseres Weltbildes an. Hatte das damit zu tun, dass er nebenbei auch Priester war?

          Jeder kennt Hubble. Seit zwei Jahrzehnten zeigt uns das Weltraumteleskop spektakuläre Bilder vom Kosmos. Benannt ist es nach dem Astronomen Edwin P. Hubble (1889 bis 1953), dem oft die Urheberschaft der Erkenntnis zugeschrieben wird, dass unser Weltall expandiert. In der Tat stellte Hubble 1929 fest, dass Galaxien sich umso schneller von uns wegzubewegen scheinen, je entfernter sie sind. Seit den 1950er Jahren heißt dieser proportionale Zusammenhang „Hubble-Gesetz“ und die kosmische Expansionsrate „Hubble-Konstante“. Doch ist dies ein klassischer Fall für das Theorem, das der Statistiker Stephen Stigler 1980 aufstellte: Keine wissenschaftliche Entdeckung ist nach ihrem eigentlichen Entdecker benannt.

          Ulf von Rauchhaupt

          verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Tatsächlich findet sich die fragliche Einsicht bereits 1927 im Fachartikel eines jungen Professors im belgischen Löwen, eines Spezialisten für Relativitätstheorie, der seit 1923 auch katholischer Priester war: Georges Edouard Lemaître (1894 bis 1966). Obwohl zu seinen Lebzeiten ein bekannter Forscher, ist Lemaître heute nur in Fachkreisen ein Begriff. Die Taufe eines kommende Woche startenden Raumschiffes auf seinen Namen (siehe „Der letzte Brummi“) soll das ein wenig korrigieren.

          Seine wichtigste Erkenntnis ist heute selbstverständlich

          Zu den Gründen für Lemaîtres mangelnde Prominenz zählt vielleicht auch, dass uns seine wichtigste Erkenntnis heute selbstverständlich geworden ist: Der Kosmos hatte einen Anfang in der Zeit. Das Weltall expandiert, nachdem es vor einer endlichen Zeitspanne (nach heutiger Erkenntnis 13,8 Milliarden Jahre) überhaupt erst entstand. Auch wenn er selbst sich dessen 1927 nicht bewusst war und der Begriff damals noch nicht existierte, so war Georges Lemaître doch der Vater des Urknalls.

          Edwin P. Hubble machte die entscheidenden Beobachtungen.

          Bis dahin waren die Astronomen ganz selbstverständlich davon ausgegangen, dass die Welt schon immer existierte. Alles andere war unvorstellbar – wenn man nicht, wie der Philosoph Immanuel Kant in seiner „Kritik der reinen Vernunft“, sowieso der Ansicht war, dass die Frage nach Zeitlichkeit oder Ewigkeit der Welt zu Widersprüchen führe und daher kein Gegenstand von Wissenschaft sein könne. Selbst Albert Einstein fühlte sich gezwungen, seine allgemeine Relativitätstheorie zu modifizieren, nachdem sie zunächst zu einem Universum führte, das nicht statisch und ewig war.

          Erst Georges Lemaître sah, dass es das jedoch keineswegs sein muss. Die Ewigkeit der Welt als ganzer war der letzte und zäheste Rest der alten aristotelischen Naturphilosophie, über den hinauszudenken bis dahin nur wenigen gelungen war. Dabei hatte man geglaubt, Aristoteles schon 400 Jahre zuvor überwunden zu haben: mit Kopernikus’ Idee, die Erde nicht als Zentrum des Alls anzusehen. „Man ist versucht“, schreibt der dänische Wissenschaftshistoriker Helge Kragh, „Lemaîtres Weltmodell von 1927 mit dem kosmologischen Meisterwerk des Kopernikus zu vergleichen.“

          Beobachtung des Astronomen Vesto Slipher

          Dabei entwickelte sich die Einsicht auch bei dem Belgier schrittweise – so schlug er 1927 nur vor, dem Universum seine Unveränderlichkeit zu nehmen, noch nicht seine ewige Dauer. Und natürlich arbeitete er nicht allein.

          Am Anfang des Weges zum Urknall standen zwei Befunde: einer der Beobachtung und einer der Theorie. Ersteren erbrachte 1912 der amerikanische Astronom Vesto Slipher. Ihm war es gelungen, die Lichtspektren mehrerer Spiralnebel genau genug zu vermessen, um aus Verschiebungen der Spektrallinien eine Geschwindigkeit jener Nebel relativ zur Erde zu bestimmen.

          Denn ähnlich wie sich der Klang einer heranrasenden Sirene zu höheren Tonfrequenzen verschiebt und einer davonrasenden zu tieferen, ist das Licht von Objekten, die sich auf den Beobachter zubewegen, zu höheren, näher am blauen Ende des sichtbaren Spektrums gelegenen Lichtfrequenzen verschoben – und bei sich entfernenden zu tieferen, röteren. Sliphers Daten zeigten Spiralnebel mit überwiegend rotverschobenen Spektren. Ein Hubble-Zusammenhang zeigte sich damit noch nicht, denn zu Sliphers Zeit gab es keine Möglichkeit herauszufinden, wie weit weg die Nebel waren. Es war nicht einmal klar, ob es sich um Objekte außerhalb unserer Galaxis handelte.

          Die Theorie lieferte Albert Einstein

          Der theoretische Befund war Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die er 1917 auf das Weltall als Ganzes anwandte – mit dem erwähnten Ergebnis, dass er nur nach einer Modifikation der Theorie ein statisches Universum herausbekam. Doch im selben Jahr fand der Holländer Willem de Sitter (1872 bis 1934) noch eine andere kosmologische Lösung der einsteinschen Gleichungen. Sie galt für ein idealisiertes All ohne Materie, hatte aber die Eigenschaft, dass leuchtende Objekte (vernachlässigbarer Masse) umso größere Rotverschiebungen zeigten, je weiter sie von einem gedachten Beobachter entfernt waren – das erinnerte an Sliphers Beobachtungen.

          Albert Einstein und Willem de Sitter diskutieren über kosmische Phänomene in Pasadena (1932) .

          Aber auch de Sitter hielt sein Weltmodell für statisch. Dass Einsteins Theorie auch mathematische Lösungen besaß, die dynamische Welten beschreiben, erkannte als Erster der Russe Alexander Friedmann (1888 bis 1925) in zwei Arbeiten in den Jahren 1922 und 1924. Für einige Klassen solcher Welten leitete er ein Paar von Gleichungen ab und stellte für bestimmte Fälle fest: „Wenn man in der Zeit zurückgeht, muss es einen Anfang der Welt geben.“

          Verkannte Friedmann die Relevanz seiner Rechnungen?

          Formal gesehen, war es also bereits Friedmann, welcher der Vorstellung eines seit Ewigkeiten existierenden Kosmos die Totenglocke läutete. Allerdings handelte es sich in seinen Arbeiten im Wesentlichen um eine mathematische Analyse möglicher kosmologischen Lösungen der einsteinschen Theorie – ohne jeden Bezug zu astronomischen Beobachtungen. „Der Eindruck ist schwer zu vermeiden“, schreibt Helge Kragh, „dass Friedmann die physikalische Relevanz seiner Rechnungen in hohem Maße verkannt hat.“ Überdies erfuhr kaum jemand davon. Die Isolation Friedmanns im frühsowjetischen Russland sowie sein baldiger Tod durch Typhus verhinderten, dass seine Arbeiten bekannt wurden.

          Auch Lemaître kannte sie nicht, als er 1927 aus Amerika zurückkehrte, wo er am Massachusetts Institute of Technology eine astronomische Promotion abgeschlossen hatte. Es war sein zweiter Doktortitel, den ersten, in Mathematik, hatte er vor seiner Priesterweihe in Belgien erworben. Mit dieser Doppelqualifikation machte sich der frisch ernannte Professor nun gezielt auf die Suche nach einer Lösung der Einstein-Gleichung, die anders als die idealisierten Modelle Einsteins und de Sitters zu dem realen, beobachteten Universum passten.

          Alexander Friedmann betrachtete es erst einmal mathematisch.

          Grundlegen Unterschiede zwischen Friedmann und Lemaître

          Dabei kam er auf dasselbe Gleichungspaar, das auch Friedmann gefunden hatte. Abgesehen davon aber unterscheiden sich beide Arbeiten grundlegend. Während sich Friedmann für das ganze Spektrum möglicher Weltmodelle interessierte, studierte Lemaître nur das eine, das mit den neusten astronomischen Daten in Einklang stand. Inzwischen war klar, dass es sich bei den Spiralnebeln um Galaxien handelte: Edwin Hubble hatte 1923 im Andromedanebel einen Sterntyp entdeckt, dessen wahre Helligkeit bekannt war, so dass sich seine Entfernung berechnen ließ. Die Rotverschiebung solcher Nebel war demnach tatsächlich ein Effekt kosmologischer Distanzen.

          Die Einsicht Lemaîtres von 1927 bestand nun darin, die Rotverschiebung nicht als Folge einer Bewegung der Galaxien durch den Raum zu deuten, sondern der Expansion des Raumes selbst, der die Galaxien mitträgt wie ein aufgehender Hefeteig die Rosinen.

          Allein, der Urknall war das noch nicht. Lemaîtres Kosmos von 1927 war ein dynamischer, aber noch keiner mit einem Anfang in der Zeit. Vielmehr stellte sich der Belgier ein zunächst statisches Einstein-Universum vor, das irgendwann in einen expandierenden Zustand übergegangen war. Den Schritt von dort zum Urknall tat vorerst aber auch sonst niemand. Denn was Lemaîtres Arbeit von 1927 mit denen Friedmanns gemein hatte, war, dass die Fachwelt sie zunächst ignorierte, wohl weil sie auf Französisch erschien. Daher hat Hubble keineswegs bei Lemaître abgekupfert, als er Anfang 1929 Beobachtungsdaten über 24 Galaxien präsentierte, die einen proportionalen Zusammenhang von Rotverschiebung und Entfernung nahelegten. Vielmehr kamen Hubble als Beobachter und Lemaître als Theoretiker zum gleichen Resultat.

          „Lemaître war ein bescheidener Mann“

          Wobei allerdings Lemaître die Ableitung des später so genannten Hubble-Gesetzes nur als eine „vorläufige Diskussion“ betrachtete und den Abschnitt streichen ließ, als er 1931 um eine englische Übersetzung für die renommierten Monthly Notices of the Royal Astronomical Society gebeten wurde. Hätte er die Stelle dringelassen, trüge heute vielleicht nicht nur ein Einweg-Weltraumfrachter seinen Namen. „Lemaître war ein bescheidener Mann“, schreiben der Astronomiehistoriker Harry Nussbaumer von der ETH Zürich und die Gravitationstheoretikerin Lydia Bieri von der University of Michigan. „Als man begann, die Entdeckung Hubble zuzuschreiben, verzichtete er auf eine Kampagne zur Verteidigung seiner Priorität.“

          Dabei ist Hubble auch so kein guter Kandidat für den Titel des Entdeckers der kosmischen Expansion. „Auf keiner der sieben Seiten seiner Arbeit findet sich auch nur ein Wort über ein expandierendes Weltall“, schreiben Nussbaumer und Bieri. „Tatsächlich hat Hubble an so etwas nie geglaubt.“ Andererseits war es Hubbles Veröffentlichung, derentwegen die führenden theoretischen Kosmologen, inklusive Einstein, seit 1930 von einem expandierenden Universum ausgingen - und bald auf Lemaître aufmerksam wurden.

          Idee durch die junge Quantentheorie

          Doch der war bald schon weiter. Im Mai 1931 veröffentlichte er einen Artikel in Nature mit einer neuen Idee: Statt aus einem ewigen Einstein-Universum könnte das expandierende All auch aus einem ultradichten Materiezustand hervorgegangen sein. Lemaître stellte sich ihn als ein „Ur-Atom“ vor, das gleich einem radioaktiven Kern spontan zerfällt und damit die Entstehung des Kosmos einleitet. Seine Zerfallsprodukte erfüllen heute das All oder machen es überhaupt erst aus – denn Raum und Zeit gehören zu diesen Zerfallsprodukten dazu. Vorher gab es sie nicht. Denn, so schrieb Lemaître, „wenn die Welt mit einem einzigen Quant begann, so haben an diesem Beginn die Begriffe von Raum und Zeit keinerlei Bedeutung“. Erst mit diesem Satz war die aristotelische Anfangslosigkeit der Welt überwunden.

          Das Zitat zeigt zugleich auch, wie Lemaître auf die Idee gekommen war: durch die junge Quantentheorie, über die 1930 das erste systematische Lehrbuch erschienen war. Der fundamentale Indeterminismus der Quantenphysik ermöglicht spontanes Geschehen in der Welt, ohne die Notwendigkeit eines Grundes in der Welt.

          Natürlich gab es Widerspruch

          Der vielleicht schärfste kam von dem britischen Theoretiker Fred Hoyle (1915 bis 2001), der in einer BBC-Sendung im Jahr 1949 den Ausdruck „Big Bang“ - Urknall - prägte, um die Vorstellung von einem zeitlichen Anfang der Welt lächerlich zu machen. Hoyle hatte damals zusammen mit zwei Mitarbeitern eine alternative Kosmologie entwickelt, die ebenfalls ein expandierendes All beschrieb - denn das war nun empirische Tatsache -, aber ohne einen Anfang in der Zeit. Die dabei stetig sich ausdünnende Materie wurde in diesem Modell durch spontan entstehende Teilchen ausgeglichen wie in einem Fließgleichgewicht (englisch Steady State).

          Fred Hoyle war ganz entschieden dagegen.

          Das Steady-State-Modell hatte bis in die 1960er Jahre viele Anhänger, obgleich es weder zu Einsteins Relativitätstheorie so recht passte noch zu den immer besseren Daten über die Dynamik weit entfernter Regionen des Alls. Den Todesstoß erhielt Steady State 1965 durch die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung, des Nachleuchtens einer heißen frühen Phase des Kosmos, am Anfang der Zeit. Obgleich man diese da schon nicht mehr als Ur-Atom beschrieb, war es ein für Georges Lemaître. Er hat ihn noch erlebt.

          Hoyle dagegen hielt bis an sein Lebensende am Steady-State-Modell fest, hatte er doch ein tiefes philosophisches Unbehagen an einem zeitlichen Anfang, weil er den Grund für die Welt in der Welt und damit in der Sphäre möglicher Wissenschaft verortet wissen wollte. Seine Äußerungen zu dem Thema legen eine Verbindung mit dem Umstand nahe, dass Hoyle erklärter Atheist war. Das führt natürlich zu der Frage, ob es bei Lemaître denn so viel anders war. Hat er, der seit 1960 Prälat und Präsident der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften war, die Urknall-Theorie nicht zuletzt deswegen vertreten, weil sie so gut zur biblischen Schöpfung zu passen scheint?

          Theologie und Physik sind für Lemaître zwei paar Stiefel

          Die Frage wird von Wissenschaftshistorikern verneint. Nicht nur, dass auch Lemaître 1927 – da war er schon vier Jahre Kirchenmann – noch von einem ewigen Kosmos ausging. In seinem wissenschaftlichen Werk legte er stets Wert auf genuin physikalische Modellbildung – auch die Idee vom quantenmechanischen Ur-Atom ist eine solche. Theologie und Physik waren für Lemaître zwei verschiedene Paar Stiefel. Und er konnte es gar nicht haben, wenn jemand den Urknall als Argument für die christliche Lehre in Dienst nahm.

          Das galt auch für seinen obersten Chef. Als Papst Pius XII. im Jahr 1951 sich bei einer Veranstaltung in diese Richtung geäußert hatte, wurde Lemaître zusammen mit dem Direktor der päpstlichen Sternwarte, einem Jesuitenpater, beim Pontifex vorstellig. Bei der nächsten Gelegenheit formulierte der Papst dann deutlich zurückhaltender.

          Zusammenführung von Theorie und Empirie

          Es war ja auch nicht nötig, denn theologisch war die Angelegenheit seit mindestens 700 Jahren geklärt. Um das Jahr 1270 schrieb der später zum Kirchenlehrer erhobene Thomas von Aquin in „De Aeternitate Mundi“ (Über die Ewigkeit der Welt), dass Schöpfung mitnichten als ein Akt in der Zeit begriffen werden muss. Eine ewige Welt, wie sie der von Thomas hoch verehrte Aristoteles lehrte, sei damit ebenso mit der Bibel und der kirchlichen Lehre vereinbar wie eine mit einem zeitlichen Anfang.

          Doch mit einer letzteren haben wir es offenbar zu tun – jedenfalls bis zum Beweis des Gegenteils, der aber nicht nur durch das Aufzeigen theoretischer Möglichkeiten erfolgen kann, sondern auch durch dazu passende, vielfältige Beobachtungsdaten. Insofern ist es vielleicht sogar im Sinne George Lemaîtres, der Theorie und Empirie zusammenführte, wenn es Edwin Hubble war, der schließlich berühmt wurde.

          Der letzte Brummi zur Internationalen Raumstation: Das Automated Transfer Vehicle „Georges Lemaître

          Ende kommender Woche wird Georges Lemaître ins All geschossen. Vom Raumhafen Kourou in Französisch-Guayana startet mit einer Ariane 5-ES, der derzeit stärksten europäischen Rakete, ein Raumschiff, das seinen Namen trägt und den belgischen Wissenschaftler damit auch unter Nichtkosmologen etwas bekannter macht.

          Die „Georges Lemaître“ ist das letzte von fünf sogenannten Automated Transfer Vehicles (ATV), mit denen die Europäische Raumfahrtorganisation Esa einen Teil ihrer Beteiligung an der Internationalen Raumstation ISS beisteuert. Das erste ATV, die „Jules Verne“, war im Frühjahr 2008 gestartet und blieb ein halbes Jahr an der ISS angekoppelt. Auch die Nachfolger „Johannes Kepler“ (2011), „Edoardo Amaldi“ (2012) und „Albert Einstein“ (2013) waren mehrere Monate Teil des großen Wohnröhrenkonglomerats im Erdorbit.

          Obgleich unbemannt, steht ein ATV im Inneren trotzdem unter Atmosphärendruck und kann nach dem Ankoppeln von der ISS-Besatzung betreten werden. Gerne schlafen die Astronauten auch darin, denn dort brummen nicht so viele Geräte.

          Eigentlich ist es ein Frachter, der bis zu 7,6 Tonnen Treibstoff und Versorgungsgüter zur ISS bringen kann – mehr als dreimal so viel wie eine der sonst für diesen Zweck verwendeten russischen „Progress“-Kapseln. Von diesen unterscheiden sich die ATV - sie wurden von EADS Astrium in Bremen gebaut - auch durch ihre modernen Navigations- und Dockingsysteme. ATV finden selbständig mittels GPS von einer Position im Erdorbit zur anderen und können automatisch an die ISS andocken. Die Besatzung guckt dem Vorgang nur zu, kann ihn aber im Notfall abbrechen, wodurch sich das Raumschiff selbsttätig in einen sicheren Abstand zur Raumstation bringt, bis es das Signal erhält, einen neuen Versuch zu starten. Diese Technik könnte auch bei zukünftigen Planetenmissionen zum Einsatz kommen, die Bodenproben zur Erde zurückbringen.

          Die Triebwerke des ATV werden auch genutzt, um die Station routinemäßig anzuheben. Aufgrund der Reibung an den auch in 400 Kilometern Höhe immer noch vorhandenen Atome der Erdatmosphäre ist dieses Manöver in gewissen Abständen notwendig.

          Ein Wegwerfprodukt ist das inklusive Start 330 Millionen Euro teure Gefährt trotzdem. Nach ein paar Monaten wird das ATV mit Abfall beladen, abgekoppelt in der Erdatmosphäre zum Verglühen gebracht.

          Ulf von Rauchhaupt

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