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Der Urknall ist wohl die meistmissverstandene wissenschaftliche Theorie. Kein Wunder also, finden sich hier und da prominente „Urknallgegner“, die dieser Theorie den Kampf angesagt haben. Eine Analyse der Argumente.
In der Zeit vor 1929, also bevor der amerikanische Astronom Edwin Hubble (nach dem das Hubble-Weltraumteleskop benannt ist) die Galaxienflucht entdeckte, dachten die meisten Astronomen, das Universum sei unendlich alt und unendlich gross. Einstein fand damals heraus, dass ein solches Universum in sich selbst kollabieren müsste, und fügte deshalb eine „Kosmologische Konstante“ in seine Gleichung ein, die dies verhindern soll – später, nach der Entdeckung der Galaxienflucht, bezeichnete er dies als seine „grösste Eselei“.
Der belgische Priester und Astronom Georges Lemaitre entwickelte in den Jahren um 1930 eine erste Version der Urknall-Theorie: Dies geschah damals in der Absicht, wissenschaftliche Beobachtung und biblische Schöpfung in Einklang zu bringen. In einem unendlich grossen und unendlich alten Universum, so die Überlegung, hat Gott keinen Platz – also musste er über einen Urknall wieder Einzug in das Weltbild finden (so ähnlich versuchen heute die Kreationisten, ihre biblischen Vorstellungen in der Schule lehren zu lassen – allerdings, im Unterschied zur Theorie Lemaitres, handelt es sich dabei um nachweislich falsche Behauptungen).
Flüchtende Galaxien
In den Jahren nach 1930 wurde zum ersten Mal die sogenannte „Galaxienflucht“ entdeckt. Es gibt viele Milliarden Galaxien im beobachtbaren Universum, unsere Milchstrasse mit ihren gut 200 Milliarden Sternen (darunter die Sonne) ist nur eine von ihnen. Beobachtet man nun ferne Galaxien, so zeigt sich, dass sie von der Erde zu fliehen scheinen – egal, in welche Richtung man auch blickt. Diese Geschwindigkeit dieser Fluchtbewegung wird als „Hubble-Konstante“ bezeichnet und beträgt rund 71 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec, wobei ein Megaparsec rund 3.26 Millionen Lichtjahren entspricht. Wie lässt sich denn nun die Geschwindigkeit von so gigantischen Objekten wie Galaxien messen? Hier liegen auch schon die ersten Fehlüberlegungen der meisten „Urknallgegner“ begraben.
Licht kann als elektromagnetische Welle aufgefasst werden. Das „elektromagnetische Spektrum“ enthält alle denkbaren Wellenlängen, von sehr kurzen, energiereichen Wellen wie Röntgen- und Gammastrahlen, über UV-Strahlen und dem sichtbaren Licht (dabei hat das blaue Licht am meisten, das rote am wenigsten Energie) bis zu den Infrarotstrahlen und Mikrowellen bis zu den extrem langwelligen Radiowellen.
Bewegt sich eine Lichtquelle auf einen Beobachter zu, so werden die Wellen in Bewegungsrichtung „gestaucht“, also in Richtung höhere Energie verschoben (man spricht von „Blauverschiebung“, weil im sichtbaren Licht eine Verschiebung in Richtung höhere Energie einem etwas blaueren Licht entspricht). Bewegt sich eine Lichtquelle von einem Beobachter weg, so werden die Wellen entgegen der Bewegungsrichtung (also auf den Beobachter zu) gedehnt, also in Richtung tiefere Energie verschoben, und man spricht von „Rotverschiebung“. Das Ausmass der Rot- oder Blauverschiebung gibt also die relative Geschwindigkeit der Lichtquelle zum Beobachter an (so funktionieren übrigens Laser-Geschwindigkeitsmessgeräte, die bei Verkehrskontrollen eingesetzt werden). Ein ähnliches Phänomen kann beim Signalhorn eines vorbei fahrenden Krankenwagens beobachtet werden: so lange sich der Krankenwagen nähert, wird der Ton höher (energiereicher), sobald er sich wieder entfernt, wir der Ton wieder tiefer (energieärmer).
Bei allen Galaxien (ausser den allernächsten, bei denen ihre lokale Bewegung überwiegt) beobachtet man nun eine Rotverschiebung, also eine „Fluchtbewegung“ von uns fort, und zwar umso schneller, je weiter die Galaxien von uns entfernt sind.
Das wird so interpretiert: Wir können natürlich nicht davon ausgehen, dass ausgerechnet unsere kleine Erde im Zentrum der Fluchtbewegung des Universums steht. Vielmehr dehnt sich der gesamte Raum aus: dadurch entfernen sich alle Galaxien voneinander. Vorstellen kann man sich das folgendermassen: Auf einem Ballon (dessen Oberfläche unserem Universum entspricht) sind die Galaxien wie kleine Punkte aufgemalt. Durch das Aufblasen des Ballons entfernen sich die Punkte voneinander, ohne, dass sie sich gross bewegen müssen. Jeder beliebige Punkt auf der Ballonoberfläche kann ausgewählt werden: immer sieht es so aus, als würden sich alle Galaxien exakt von diesem Punkt entfernen.
Wenn eine Expansion da ist, der Ballon sich aufbläht, dann war er bzw. das Universum in der Vergangenheit einmal kleiner: Deshalb wurde durch die Beobachtung der Galaxienflucht das unendlich alte und unendlich grosse Universum nun plötzlich unmöglich. Es gab einen Rettungsversuch: Das sogenannte Steady-State-Universum (unendlich gross und alt) sollte sich zwar ständig aufblähen, doch im Schnitt sollte immer so viel Materie neu entstehen, dass die mittlere Materiedichte gleich blieb (allerdings wurde eine solche „Materieproduktion“ noch nie irgendwo beobachtet…). Daher blieb die Astronomengemeinde gespalten: die einen gingen nun von einem Urknall aus, die anderen favorisierten weiterhin Steady-State.
Müdes Licht?
„Könnte man die Rotverschiebung denn nicht auch anders erklären?“ fragten die Urknallgegner und brachten die Idee vom „müden Licht“ ein. Das Licht, das während Milliarden von Jahren durch das Universum unterwegs war, unzählige Male reflektiert oder durch Gravitationsfelder abgelenkt worden war, musste doch irgendwann einen Teil seiner Energie verlieren. Dieser Effekt würde natürlich umso wichtiger, je weiter das Licht unterwegs war: kein Wunder also, dass von den entferntesten Galaxien das energieärmste Licht ausgeht: das Licht ist hier einfach am stärksten ermüdet! So, sagten (und sagen immer noch) die Kritiker: Galaxienflucht aus dem Weg geräumt. Doch so einfach ist es nicht.
Zum einen kann der Effekt des Energieverlustes durch Gravitationsfelder berechnet werden: er fällt gegenüber der beobachteten Rotverschiebung insgesamt sehr gering aus. Zudem beobachtet man folgendes: Supernovaexplosionen (Explosionen von massiven Sternen) in weit entfernten Galaxien dauern länger als erwartet. Bei einer Dehnung des Lichtes durch eine Fluchtbewegung würde man eine solche Dehnung der Dauer einer Explosion erwarten – nicht aber bei einer Ermüdung des Lichtes. Tatsächlich passt die zeitliche Dehnung der Supernova-Explosion durch die Fluchtbewegung exakt auf die jeweilige Rotverschiebung der Galaxie, in der sie sich ereignet, wenn man den Effekt des Energieverlustes durch das Gravitationsfeld der Galaxie heraus rechnet.
Was der Urknall ist – und was nicht
Der Urknall ist keine Explosion, wie der Name (im englischen „Big Bang“) nahe legt. Urknallgegner stehen oft unter dem Eindruck, die Galaxienflucht (sofern sie sie akzeptieren) sei durch ein „Wegschleudern“ der Trümmer der „Urknall-Explosion“ zu erklären. Das ist jedoch falsch: die Bewegungen der Galaxien erklären sich einzig und allein aus der Expansion des Raums zwischen ihnen. Eine dreidimensionale Bewegung durch den Raum hätten wir längst identifiziert. Warum das so ist, kann man sich verdeutlichen, in dem man gedanklich mit einem Trümmerstück aus einer Explosion mitreist: Die Trümmer neben einem bewegen sich praktisch nicht – diejenigen in Richtung der Explosion bewegen sich nur langsam auseinander, diejenigen in Gegenrichtung (also von der Explosion weg) stieben schnell auseinander. Allein aus dieser Beobachtung könnte man auf die Position des „Explosionszentrums“ schliessen. Beim Universum ist das nicht der Fall: Alle Galaxien, in allen Richtungen, fliehen gleichmässig und gleichartig. Es gibt keine Unterschiede, die auf eine grosse, gerichtete Bewegung von einem Punkt weg hindeuten würden.
Beim Urknall entstanden Raum und Zeit, wie wir sie kennen. Wir können unmöglich sagen, ob es schon etwas davor gab, einfach weil aus dieser Zeit keinerlei Informationen über den Urknall hinaus gelangten. Möglich, dass es zuvor ein anderes Universum gab. Möglich, dass es gar nichts gab, möglich, dass es etwas ganz anderes gab. Niemand behauptet, beim Urknall sei das Universum wirklich „aus dem Nichts“ entstanden.
Im Augenblick des Urknalls war das Universum „randvoll“ gefüllt mit Materie: erst etwa 397000 Jahre später war diese Materie so stark verdünnt, dass zum ersten Mal so etwas wie Licht durchdringen konnte: das Universum wurde „durchsichtig“. Die Strahlung aus dieser Zeit wurde ebenfalls stark rotverschoben – sie bildet heute den sogenannten „Mikrowellenhintergrund“ des Universums, für dessen Vermessung dieses Jahr (2006) zwei amerikanische Physiker mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Als in den 60er Jahren genau diese Hintergrundstrahlung entdeckt wurde, war das eine phänomenale Bestätigung der Urknall-Theorie: seither ist die grosse Mehrheit der Astronomen und Kosmologen vom Urknall überzeugt (in den Jahren danach sind noch viele weitere, stützende Hinweise hinzu gekommen, wie die Verteilung von bestimmten, sogenannt „primordialen“ Elementen in Gaswolken, die exakt mit den theoretischen Werten aus Urknall-Simulationen überein stimmt).
Inflationärer Unsinn
Die Urknalltheorie hat sich seit den Zeiten Lemaitres stark weiter entwickelt. So hat sie immer wieder neue Konzepte und Ideen in sich aufgenommen: wir können deshalb heute sagen, wir können recht gut beschreiben, was geschehen ist – aber wir sind (leider) noch weit davon entfernt, zu erklären, warum es genau so abgelaufen ist. So beobachtet man, dass das Universum überraschend „homogen“ ist, das gilt auch zum Beispiel für die genannte Hintergrundstrahlung. Es fiel den frühen Urknalltheoretikern schwer, zu erklären, warum das Universum so homogen war: bis zur Einführung der sogenannten Inflationsphase des Universums. In dieser Phase, die sich kurz nach dem Urknall ereignete, blähte sich das Universum gewaltig auf, und zwar überlichtschnell (das steht nicht im Widerspruch zur speziellen Relativitätstheorie, da diese nur Bewegungen mit Überlichtgeschwindigkeit durch den Raum verbietet), jeder Teil des Raumes, der vorher so gross wie ein Proton (ein Atomkernteilchen) war, mass danach rund 10 cm im Durchmesser.
Die Inflationsphase ist natürlich das Lieblingsziel der „Urknallgegner“: „Ha, das ist doch bloss eine schlecht zusammengeschusterte Erklärung für etwas, das wir nicht verstehen! Die Urknall-Anhänger wollen einfach nicht anerkennen, dass ihr Modell gescheitert ist!“
So funktioniert das aber nicht. Die Urknall-Theorie ist keine in sich abgeschlossene, auf ewig gleich bleibende Theorie: Anpassungen wie die Inflationsphase waren immer möglich und vorgesehen. Allein daran scheitert die Urknalltheorie natürlich nicht: das wäre nur dann so, wenn durch die Urknalltheorie eine Inflation ausgeschlossen würde!
Die Urknall-Theorie hat eine bewegte Geschichte hinter sich, und jede Episode wird nun von den „Urknallgegnern“ auf neue Fundgruben durchsucht: So war lange unklar, wie alt die ältesten Sterne sind, die wir kennen: in einigen Fällen schien es so, als seien sie älter als das Universum. Solche Widersprüche lösen sich schnell, wenn man sieht, wie gross die Fehlerbalken solcher Messungen sind: Wenn es zum Beispiel heisst, ein Stern sei 12 bis 15 Milliarden Jahre alt, und das Universum stellt sich als 13 – 14 Milliarden Jahre alt heraus, dann ist dies natürlich nicht zwingend ein Widerspruch, denn es gibt Kombinationen von Alterswerten, die ohne Widersprüche funktionieren.
Der grösste Ruck ging im Jahr 1996 durch die „Urknallgemeinde“, als klar wurde, dass das Universum seit bald 8 Milliarden Jahren beschleunigt expandiert: Das heisst, die Hubble-Konstante wird grösser. Diese Interpretation hängt allerdings davon ab, dass „Standardkerzen“ wie typische Supernovaexplosionen tatsächlich im ganzen Universum gleich ablaufen. Hinweise darauf, dass das nicht zwingend so sein muss, wackeln zur Zeit etwas an dieser „beschleunigten Expansion“. Eine weitere Erschütterung – aber auch eine faszinierende Bestätigung – war die Mission der Raumsonde WMAP im Jahr 2001: Sie vermass die Hintergrundstrahlung so genau wie noch nie zuvor. Aus diesen Daten konnten die Astronomen und Kosmologen dann die folgenden Informationen herauslesen: Das Universum ist demnach 13.7 Milliarden Jahre alt, das Universum wurde 397000 Jahre nach dem Urknall „durchsichtig“, die Hubble-Konstante beträgt zur Zeit 71 km/s pro Megaparsec und das Universum besteht aus 4.4% „normaler“ Materie, 22% dunkler Materie und 73% dunkler Energie, deren Natur bis heute nicht geklärt ist.
Urknallgegner und Crackpots
Die meisten Urknallgegner sind selbsternannte Experten ohne Hintergrundwissen, aber mit viel Kritik, die sie loswerden wollen – sogenannte Crackpots. Allerdings gilt das natürlich längst nicht für alle: Fundierte Urknallkritik ist immer berechtigt! Bloss gibt es heute eben nur sehr wenig, was dafür spricht, dass kein Urknall stattgefunden hat: Die Galaxienflucht legt nahe, dass einst mal alles eng zusammen lag, die Hintergrundstrahlung und die die Verteilung primordialer Elemente sind exakt so, wie man es von einem Urknall erwarten würde, die Beobachtung, dass es keine Objekte im Universum gibt, die älter als jene 13 Milliarden Jahre sind, die man aus der Urknalltheorie erwarten würde. Niemand bestreitet, dass es Dinge gibt, die die Urknalltheorie nicht erklären kann, und die eine umfassende Theorie der Entstehung unseres Universum ebenfalls beschreiben sollte: Dazu gehört der Urknall selbst, dann die Gründe für die Inflationsphase, die Gründe für die beschleunigte Expansion, für die beobachtete Materieverteilung, etc. Ganz klar ist in der Kosmologie das letzte Wort noch nicht gesprochen, und wer weiss, vielleicht wird es sich eines Tages erweisen, dass unsere Vorstellungen zum Urknall falsch sind, weil eine neue Theorie aufgekommen ist, die die Beobachtungen besser erklären kann als die Urknall-Theorie. Fazit: Urknallkritik ja gerne, aber bitte fundiert.
Atlas of the Universe – Urknall (und der Rest des Universums) kurz und prägnant erklärt (englisch).
Big Bang – Common missconceptions – Typische Missverständnisse beim Urknall (englisch).
Talkorigins zum Urknall – Talkorigins ist eine ausgezeichnete Webseite, auf der Crackpot-Behauptungen (hauptsächlich zur Evolution, aber auch zu anderen Themen) wiederlegt und Dinge wie Evolution und Urknall erklärt werden (englisch).
Unfundierte Kritik – Peter Ripota, Topesoteriker bei „P.M.“ über die Urknalltheorie, die er offenbar nicht verstanden hat.
Cosmology Statment – Das „Cosmology Statement“ ist ein offener Brief an die Physiker-Gemeinde, auch anderen Ideen eine chance zu geben. Es kann von jedem unterschrieben werden.