Document ID: /fineweb-2-swissfilter-quality_10-filterrobots/filtered/03613.jsonl.gz/599

Die Materie, aus der Sterne, Planeten und Menschen bestehen, macht gemäss der modernen Kosmologie nur etwa 4% des Massen-Energieinhalt des Universums aus. Allerdings gibt es auch Kosmologen, die das ein wenig anders sehen.
Eines gleich vornweg: nein, hier geht es nicht um die Privattheorie irgendeines selbsternannten Welterklärers. Und nein, ich bin im Kommentarstrang dieses Artikels auch nicht an selbstentwickelten „Theorien“ interessiert. Wer sich davon angesprochen fühlt, sei hiermit ermahnt, was hier das Thema ist: Hier geht es um den Physiker und Kosmologen John Moffat und seine, in anerkannten und peer-reviewten wissenschaftlichen Fachzeitschriften bestens dokumentierte Alternative zum gegenwärtig vorherrschenden, kosmologischen Weltbild. Seine „Modifizierte Gravitation“ (Modified Gravity), auch MOG abgekürzt, macht ganz konkrete, überprüfbare Vorhersagen, die sich mit künftigen Beobachtungen überprüfen lassen – und sie kommt völlig ohne Dunkle Materie und Dunkle Energie aus. Doch beginnen wir am Anfang.
Die heutige Kosmologie hat ein Problem: das Universum ist flach. Kein Witz: „flach“ ist einer von drei möglichen „Geometrien“ eines Raumes. Anschaulich illustrieren kann man das, indem man von unserem dreidimensionalen Raum eine Dimension hinuntersteigt, in die Fläche. Eine Fläche kann etwa in sich selbst gekrümmt sein, wie zum Beispiel eine Kugeloberfläche. Eine darauf herumkriechende Ameise wird deshalb immer und immer wieder an denselben Ort zurückkehren, und Dreiecke auf dieser Fläche haben stets mehr als 180° Winkelsumme (so hat etwa das Dreieck, das einen gedachten Pol der Kugel mit zwei ein Viertel des Umfangs voneinander entfernten Punkten auf dem Äquator der Kugel verbindet, eine Winkelsumme von 270°). Diese Geometrie nennt man „geschlossen“. Ein Universum kann auch eine „offene“ Geometrie haben, so dass die Winkelsumme stets kleiner als 180° ist (meist wird das mit einem „Sattel“ illustriert, was leider nicht ganz so anschaulich ist wie die Kugel). Schliesslich gibt es noch die Geometrie dazwischen: eine ebene, unendlich grosse Fläche. Und in diesem Zustand ist die Fläche (oder der Raum, wenn man jetzt wieder eine Dimension hochklettert) „flach“ (oder „euklidisch“, weil in diesem Raum die euklidische Geometrie, wo die Winkelsumme im Dreieck immer 180° beträgt, gilt).
Mit verschiedenen Beobachtungen ist es Astronomen und Kosmologen gelungen, die heutige Geometrie des Universums zu bestimmen. Das überraschende Ergebnis: Das Universum ist flach: es ist also ein vermutlich unendlich ausgedehnter Raum. Nach allem was wir wissen und beobachten, würden wir eben nicht – wie oft behauptet – irgendwann zur Erde zurückkehren, wenn wir nur genug lange in eine Richtung davonfliegen. Es würde stattdessen einfach immer und immer weiter gehen. Diese Unendlichkeit hat Konsequenzen, doch das ist nicht das Problem der Kosmologen: ihr Problem ist, dass die Geometrie des Raumes – gemäss der Einsteinschen Relativitätstheorie – von der Menge der darin enthaltenen Energie abhängig ist. Masse krümmt den Raum: auf lokaler Ebene manifestiert sich das als Gravitation (Schwerkraft). Doch auch auf der Ebene des Universums bestimmt die Materie die allgemeine Geometrie: Ist die Materiedichte höher als eine bestimmte, „kritische“ Dichte, kollabiert das Universum unter seiner eigenen Gravitation irgendwann wieder: es ist „geschlossen“. Ist die Materiedichte jedoch tiefer als die kritische Dichte, expandiert es auf alle Zeiten hinaus. Ein „flaches“ Universum, das gerade die kritische Dichte hat, sollte hingegen immer langsamer expandieren und irgendwann (nach unendlich langer Zeit, um genau zu sein) zum Stillstand kommen. Die flache Geometrie des Universums sagt uns also präzise, wieviel Materie darin stecken muss: gerade etwa die kritische Dichte.
Zählt man nun aber alle sichtbaren Sterne und leuchtende Gaswolken in Galaxien (die sogenannte „leuchtende Materie“) zusammen, und rundet man das ganze noch grosszügig mit unsichtbaren Gaswolken, Sternleichen, Planeten und exotischen Teilchen wie Neutrinos auf, kommt man nirgends hin – nur etwa 4% der kritischen Dichte kommen so zusammen. Der Rest ist, wie man heute so schön sagt, „dunkel“: Dunkle Materie (dazu kommen wir noch) bringt uns auf etwa einen Viertel der nötigen Dichte, und „Dunkle Energie“ (von der niemand weiss, was sie ist oder sein soll) soll dann halt noch irgendwie den Rest ausmachen. Doch nun gibt es noch ein zweites Problem, von dem wir – dank der Beobachtung extrem weit entfernter Supernovaexplosionen – erst seit 1998 wissen: Das Universum expandiert – beschleunigt. Es dehnt sich also immer schneller aus. Die meisten Kosmologen vermuten, dass die Dunkle Energie „irgendwie“ dahintersteckt (etwa mit der Argumentation: wenn sie so häufig ist, sollte sie auch einen Einfluss auf das Verhalten des Universums haben). Wir erinnern uns, dass beschleunigte Expansion bedeutet, dass das Universum eine offene Geometrie haben muss. Aber hatten wir nicht gerade eben noch gesagt, das Universum hätte heute eine flache Geometrie!?
Kosmologen erklären das so, dass das, was auch immer die Expansion des Universums bewirkt, sich gerade etwa heute (plusminus ein paar Milliarden Jahren) die Balance mit dem Energieinhalt hält. In der Zukunft wird die Geometrie klar „offen“ sein, und in der Vergangenheit war sie einst „geschlossen“ (das ist mittlerweile sogar durch Beobachtungen bestätigt worden: das Universum hat nach dem Urknall erst etwas „abgebremst“ und danach erst wieder zu beschleunigen begonnen). Für viele Kosmologen ist das eines der grössten Rätsel: warum ist das Universum ausgerechnet heute, da wir da sind, um es zu beobachten, flach? Es ist nur einen winzigen Bruchteil seiner Geschichte flach (zuerst ein paar Jahrmilliarden geschlossen, dann kurz flach, dann in alle Ewigkeit offen) – und gerade da tauchen wir auf? Das ist vielen ein bisschen zu viel Zufall. Und genau da kommt die moderne Form der „Modified Gravity“ (MOG) ins Spiel. Es wäre, sagt der (ursprünglich dänische) Physiker John Moffat, der sie gemeinsam mit dem Russen Viktor Toth entwickelt hat, doch viel einfacher, wenn die Geometrie des Universums schon immer flach gewesen wäre – dann gäbe es nichts zu erklären. Aber um die Beobachtung des flachen Raumes mit der leuchtenden Materie unter einen Hut zu bringen, kann man, statt die Materie zu erhöhen, auch die Gravitation etwas stärker machen, als sie ist – unter bestimmten Bedingungen.
Die Gravitation stärker machen, als sie im Sonnensystem ist – damit hatte Moffat vor Jahrzehnten die Entwicklung von MOG begonnen. Damals ging es noch nicht um die Kosmologie, sondern um die Dunkle Materie. Die Sterne in der Milchstrasse (und anderen Galaxien) gehorchen offenbar nicht den Keplergesetzen. Gemäss diesen müsste die Geschwindigkeit, mit der sie das galaktische Zentrum umlaufen, mit dem Quadrat zum Abstand abfallen. Tatsächlich erreicht aber die Umlaufsgeschwindigkeit ein bestimmtes Niveau – und verharrt dort, viel weiter hinaus als die beobachtete, leuchtende Materie zulässt. Nun gibt es zwei Möglichkeiten: entweder, da draussen gibt es viel mehr Materie, als wir sehen (die vielberühmte „Dunkle Materie“, die nicht strahlt und auch sonst nur über die Gravitation mit dem Rest des Universums interagiert), oder aber, die Gesetze der Gravitation ändern sich mit der Distanz zum galaktischen Zentrum. Während die Mehrheit der Physiker die erste Möglichkeit verfolgt, hat John Moffat stets mit viel Herzblut versucht, die Gravitation entsprechend zu modifizieren.
Dies hat durchaus auch einen biografischen Hintergrund. Moffat – der heute Professor Emeritus an der Universität Toronto ist – begann sein Leben als (eher mässig erfolgreicher) Künstler. Er interessierte sich aber auch für Physik, und er korrespondierte brieflich mit Einstein (ein autobiografisches Buch von ihm heisst dann auch: „Und Einstein schrieb zurück“). Schliesslich erarbeitete er sich – ohne Universitätsabschluss – in London einen Doktor in der Physik. Er war tief davon beeindruckt, wie Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie durch die Modifikation der Newtonschen Physik unter speziellen Bedingungen (starke Gravitationsfelder) zwangslos die lange mysteriöse „Periheldrehung des Merkur“ erklären konnte, die die Physiker seit Jahrzehnten narrte. Der Punkt, an dem der innerste Planet Merkur der Sonne am nächsten steht (der „Perihel“) bewegt sich erstaunlich schnell vorwärts (so dass Merkur im Verlauf der Jahrhunderte mit seiner Bahn eine Art „Rosette“ um die Sonne zeichnet), schneller auf jeden Fall, als Newtons Gravitationsgesetz erlaubt. Im späten 19. Jahrhundert wollten die damaligen Physiker dies durch die Präsenz eines weiteren Planeten, den sie „Vulkan“ nannten und der noch näher als Merkur um die Sonne kreisen sollte, erklären (eine kurze Zeit lang galt der Planet sogar als durch eine Beobachtung bestätigt, doch das musste später zurückgenommen werden). Andere brachten einen Ring aus massiven, dunklen Teilchen ins Spiel. Doch am Ende zeigte sich, dass sie alle falsch lagen: die Modifikation der Newtonschen Gravitationstheorie brachte die Lösung. Davon beeindruckt, machte sich Moffat daran, auch die „Dunkle Materie“ durch Erweiterung der Einsteinschen Relativitätstheorie – diesmal für sehr kleine Beschleunigungen – zu verändern. So wie die allgemeine Relativitätstheorie eine Erweiterung der Newtonschen Gravitation ist, ist MOG eine Erweiterung der allgemeinen Relativitätstheorie – auf kurzen Skalen geht MOG in die Relativitätstheorie über, die in schwachen Gravitationsfeldern in die Newtonsche Gravitation übergeht.
Moffats MOG kam bald schon in vielen Formen und Varianten, und etliche davon waren geeignet, um die beobachteten „Rotationskurven“ (also die typischen Geschwindigkeiten, mit denen sich Sterne in Galaxien in Abhängigkeit von ihrer Entfernung zum galaktischen Zentrum bewegen) unzähliger Galaxien zu erklären. Vereinfacht gesagt geht MOG von einer variablen Gravitationskonstante G aus. Gravitation ist zunächst anziehend, fällt zunächst mit dem Quadrat zum Abstand ab, wird dann bei sehr grossen Entfernungen negativ (abstossend) und fällt danach auf Null zurück. Sowohl die Gravitationskonstante G, als auch die Lichtgeschwindigkeit c sind (leicht) variabel, aber G/c ist über die Geschichte des Universums konstant geblieben.
Schliesslich begann Moffat damit, MOG auch auf kosmologische Fragen anzuwenden. Immer mehr Varianten, immer mehr freie Parameter fielen raus, gleichzeitig wurden damit die darunter liegenden Formeln auch schlanker (Moffat überprüfte übrigens auch, ob MOG eventuell die Pioneer-Anomalie erklären könnte: sie konnte nicht. Die von MOG vorhergesagten Beschleunigungen sind zu klein, um den angeblich beobachteten Effekt zu erklären – Moffat sagte deshalb voraus, dass sich die Pioneer-Anomalie schliesslich als Artefakt herausstellen würde – womit er ja auch vor kurzem bestätigt wurde). Heute ist MOG eine relativistische Theorie, die praktisch ohne freie Parameter auskommt, die zudem nicht nur die Rotationskurven von Galaxien, sondern auch die Bewegung von Galaxienclustern (inklusive dem „Bullet Cluster“, an dem alle anderen „modifizierten Gravitationstheorien“ wie etwa „MOND“ – die mit MOG nichts zu tun hat – scheitern) korrekt vorhersagt. Sie sagt das „Powerspektrum“ (Energieverteilung über die verschiedenen Wellenlängen) der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung des Universums in den heute überprüfbaren Bereichen korrekt voraus, und sie macht konkrete, überprüfbare Vorhersagen für die Bereiche, die man noch nicht beobachtet hat. Sie erklärt zwangslos die beschleunigte Expansion des Universums, ohne eine „kosmologische Konstante“ einzuführen. Das Universum hat in MOG zu jeder Zeit eine flache Geometrie. Eine variable Lichtgeschwindigkeit in den frühesten Sekundenbruchteilen des Universums lässt eine ganze Reihe von Problemen verschwinden, inklusive der unschönen „Inflationsphase“, die man heute für diese Zeit postulieren muss, um die Homogenität des Hintergrundstrahlng zu erklären. Interessanterweise sagt MOG auch, dass Schwarze Löcher keine Singularitäten sein dürfen. Trägheit hat gemäss MOG ihren Ursprung in der Wirkung weit entfernter Massen im Universum (ganz wie für den Mach-Lorentz-Antrieb erforderlich – allerdings ist nicht klar, wie sich die MOG auf die allfällige Machbarkeit dieses postulierten „Antriebs“ auswirkt – ich hab ihn gefragt, mal sehen, was er antwortet…).
Moffat hat sogar ein relativ einfaches Experiment vorgeschlagen, mit dem sich in der Schwerelosigkeit (z.B. auf der ISS) mit relativ geringem Aufwand überprüfen lässt, ob bei kleinen Beschleunigungen tatsächlich MOG gilt (siehe dazu die unten verlinkte Powerpoint-Präsentation). Gerade in letzter Zeit mehren sich einerseits Meldungen, man hätte nun zum ersten Mal Dunkle Materie Partikel gemessen, anderseits zeigt sich je länger je mehr, dass gewisse Aspekte der Dunklen Energie und Materie im Widerspruch mit Beobachtungen zu stehen scheinen, und dass gewisse Experimente, die zur Suche nach Dunkler Materie ausgerichtet wurden, leer ausgingen. Es ist sicher nicht verkehrt, in solchen Zeiten auch einmal Alternativen anzusehen, gerade wenn sie so attraktiv und vielseitig wie MOG sind. Die Ablösung der allgemeinen Relativitätstheorie durch MOG (zumindest auf grossen Skalen) wäre eine spektakuläre, späte Bestätigung für Moffat und der krönende Abschluss einer äusserst ungewöhnlichen Karriere, die zeigt, dass in der Physik auch abweichende, kreative Ideen, die sorgfältig ausgearbeitet, mit Beobachtungen verglichen und dem wissenschaftlichen Validierungs-Prozess unterworfen werden, auch heute absolut eine Chance haben, unser Weltbild auf den Kopf zu stellen. Es wäre, gewissermassen, das Ende der „dunklen“ Phase der Kosmologie, und der Aufbruch in eine spannende neue, „helle“ Zukunft.
Ein paar von Moffats MOG-Arbeiten auf arxiv:
Natürlich hat er nicht nur auf arxiv publiziert, sondern auch in Fachzeitschriften, unter anderem:
(alle drei Papers sind oben in ihrer Arxiv-Version verlinkt)
Moffat’s Webseite, mit zahlreichen Links zu PDF-Präsentationen, in denen er MOG erklärt: