Leseprobe aus Das Fundament 4/2005

An den Grenzen
von Raum und Zeit

Nachstehend wird eine Vorab-Veröffentlichung von Fragmenten eines Buchmanuskripts gegeben, das um die Jahreswende auf dem Buchmarkt erscheinen soll. Es löst das Heft "Geheimnisvolles Weltall - Hypothesen und Fakten zur Urknalltheorie" nach vier Auflagen ab. Der Arbeitstitel des Buches ist: "Über den Ursprung des Kosmos - Diskussion der aktuellen Faktenlage".


Der Astrophysiker Dr. Norbert Pailer, Programmleiter für Wissenschaftliche Raumfahrt bei EADS Astrium und Wissenschaftsautor, wird zusammen mit Astrophysiker Dr. Alfred Krabbe, Professor am I. Physikalischen Institut der Universität Köln, neueste Daten in Astrophysik und Astronomie für den interessierten astronomischen Laien diskutieren, um dann im Hinblick auf den Genesisbericht eine interdisziplinäre Sicht von den Anfängen des Kosmos zu entwickeln. Sie erheben dabei nicht den Anspruch, eine endgültige Antwort geben zu wollen, werden aber die Diskussion mit interessanten Details auf den neuesten Stand bringen. Einleitung 1. Möglichkeiten und Grenzen astrophysikalischer Forschung
1.1 Welche Informationen erhalten wir von der Sternenwelt?
1.2 Wie nehmen wir dieses Licht wahr?
1.3 Welchen Herausforderungen stehen wir gegenüber?

2. Faktenlage zum Aufbau des Kosmos
2.1 Distanzmessungen
2.2 Großräumige Strukturen
2.3 Elektromagnetische Hintergrundstrahlung

3. Kosmologische Modelle
3.1 Das Urknallmodell
3.2 Alternative Kosmologien

4. Faktenlage zu Planetensystemen
4.1 Am Anfang war der Staub: Über Staubscheiben und Protoplaneten
4.2 Über den Ursprung unseres Planetensystems
4.3 Aktuelle Fragestellungen der Planetologie
4.4 Zusammenfassende Bewertung

5. Modell und Wirklichkeit
5.1 Vom Weltbild zum Naturbild
5.2 Das Modell als Trivialisierung der Wirklichkeit
5.3 Anpassbare Parameter
5.4 Konstanz der Konstanten
5.5 Daten und deren Deutung

6. Spuren der Schöpfung
6.1 Universum nach Maß 
6.2 Zum Verständnis des Genesisberichts aus kosmologischer Sicht

 

... damit der Schöpfungsgedanke wieder Wind unter die Flügel bekommt!

Einleitung

Es gehört heute zum Allgemeinwissen in der Kosmologie, dass der ganze sichtbare Sternenhimmel und damit alle sichtbare Materie eine kleine "Kontamination" von nur rund 4% der insgesamt existierenden Masse im Kosmos ausmachen. Das heißt aber auch, dass sämtliche Sterne nur putzig kleine Sahnehäubchen auf einer riesigen, unsichtbaren Schokoladentorte sind. Dies ist ein Grund, weshalb wir uns zunächst mit der Frage auseinandersetzen wollen, was wir eigentlich beim Blick zum Himmel tatsächlich von der uns umgebenden Wirklichkeit wahrnehmen können. 
Wir können nicht bis zum Anfang der Welt zurückschauen. Dem populären Urknallmodell folgend ist die Rückprojektion des Kosmosgeschehens über das elektromagnetische Spektrum durch den Zeitpunkt begrenzt, an dem die erste Strahlung aus der "Energiebrühe" eines Urknallszenarios ausgetreten sein könnte. Dabei hat sich die Erklärung der außerordentlich reichhaltigen Formen und Strukturen im Kosmos als harte Nuss für alle kosmologischen Modelle erwiesen: Wie ging der hoch strukturierte Kosmos, den uns heute das Hubble-Weltraumteleskop imposant vor Augen führt, aus einem erstaunlich homogenen frühen Zustand hervor? Die Bemühungen, die Geschichte des Weltalls nachzuzeichnen, erweisen sich als schwieriger Balanceakt im Ungefähren. Hoffnungen, über den derzeit angenommenen Anfang noch hinauszuschauen, werden an den zukünftigen, direkten Nachweis von Gravitationswellen geknüpft.
Gemessen an der Größe und Komplexität des Kosmos stehen einerseits also nur wenige Daten für seine Erforschung zur Verfügung, andererseits will man ein Gesamtbild seines Geschichtsverlaufs entwickeln - ein Kontrast, wie er nicht größer sein könnte. In diesem paradoxen Rahmen geschieht die naturwissenschaftliche Forschung, einerseits auf Beobachtungen abgestützt, andererseits notwendigerweise mit gewaltigen Extrapolationen verbunden. Dabei wird weder gefragt, wer oder was seinen Ursprung ausgelöst hat noch woher die Naturgesetze kommen, die obendrein für den gesamten Verlauf der Kosmosgeschichte als konstant angesehen werden. (Soweit naturwissenschaftlich gearbeitet wird, ist die Annahme der Konstanz kaum vermeidbar, weil eine mögliche Variabilität das spekulative Element geradezu explodieren ließe, solange es dafür keine empirischen Anhaltspunkte gibt). Wir haben die Tragweite und Konsequenzen des naturwissenschaftlichen Ansatzes auszuloten. Er bildet den Ausgangspunkt unserer Diskussion, wohl wissend, dass er nicht das ganze Bild liefern kann.

 

Weltbild und Naturbild 

Soll nun nicht nur eine naturwissenschaftliche Antwort zum Thema des Buches im Rahmen eines Naturbildes - also ein mit den heutigen naturwissenschaftlichen Ergebnissen möglichst kompatibles Bild -, sondern eine möglichst umfassende, interdisziplinäre Position mit einem Minimum an Hypothesen im Rahmen eines Weltbildes erarbeitet werden, dann müssen weitere aussagefähige Quellen herangezogen werden. Schon gar nicht sollte von vornherein ein Eingriff von außen ausgeschlossen werden - die Dinge müssen alle auf den Prüfstand ohne jede Vorselektierung. Erst damit wird der Ansatz für das Thema möglichst breit und auch dem Forschungsgegenstand angemessen. So wird auch das Anliegen dieses Buches richtig spannend. 
Über den Ursprung des Alls gibt es in den unterschiedlichen Kulturkreisen Überlieferungen. Nicht zuletzt gibt es den theologischen Zugang zu diesem Themenkomplex anhand des überlieferten Genesisberichts der Bibel, dessen Grundgedanken sich teilweise in verschiedenen Schöpfungsmythen wiederfinden. Er ist sicher kein naturwissenschaftlicher Bericht und spielt sich auf einer anderen Erklärungsebene ab, kann uns aber auf der interdisziplinären Suche nach Antworten weiterhelfen, zumal die Kosmos-Ursprungsforschung eine Disziplin ist, die das Element der Offenbarung braucht, um eine Orientierung zu erhalten. 
Wir sprechen dies an, wohl wissend, dass allein die Erwähnung des Wortes "Genesisbericht" bei vielen Zeitgenossen Aversionen hervorrufen mag. Trotzdem hoffen wir, dadurch nicht Leser zu verlieren, sondern erst richtig neugierig gemacht zu haben. Wir sehen in diesem Kontext die naturwissenschaftliche Forschung aus bereits angedeuteten Gründen als ein "innerweltliches" Unternehmen an, dessen Daten uns allenfalls auf die Spur der Schöpfung bringen können. Es ist letztlich unser Ziel, Bezugslinien zwischen unterschiedlichen Informationsquellen herzustellen. Damit streben wir eine auf einem interdisziplinären Dialog abgestützte Darstellung an, wobei die astrophysikalische Diskussion unser Ausgangspunkt ist. Gerne betonen wir, dass die rein auf alles Messbare und Sichtbare abgestützte Naturwissenschaft viele Vorzüge hat, aber durch die mit ihr verbundenen Einschränkungen auch nie das Ganze des Seins in den Blick bekommen kann. In dem Sinne behandelt die Naturwissenschaft das "berechenbare" Handeln Gottes. Obendrein müssen wir uns bewusst machen, dass keine Wissenschaft voraussetzungsfrei ist und dass eine so grundsätzliche Fragestellung bezüglich des Ursprungs nie ohne ein unterlegtes Weltbild zu stemmen ist. 
Zu den erwähnten Bezugslinien passt zum Beispiel eine Feststellung der ESO (European Southern Observatory), dass viele gegenwärtige astronomische Beobachtungen zunehmend zum Schluss kommen, dass ein entfaltetes, ausgebildetes, aktives, sich entwickelndes und expandierendes Universum als eine augenblickliche Schöpfung entstanden sein könnte (wiedergegeben in "Spaceflight" unter Space News mit der Überschrift "Creation Pointer"): "This and many other recent astronomical observations point increasingly to the conclusion that a mature, active, evolving and expanding universe could have come into being in an instant creation." (Spaceflight vom November 2004, Vol. 45, No. 11). Dieser Aspekt wird im Laufe des Buches weiter vertieft. Eine weitere interessante Spur sind Konsequenzen aus der sogenannten Anthropischen Kosmologie, auf die wir in Kapitel 6 eingehen.
Wir werden letztlich versuchen darzustellen, dass das Sein jenseits seiner Raumzeit eine nicht-materielle Dimension hat, weshalb rein materialistische Ansätze zwar berechenbare, aber keine umfassende Erklärung abgeben können. 
Jedem Anfang wohnt ein gewisses Geheimnis inne, insbesondere, wenn es sich um den Kosmos handelt. Dieser Wahrheit folgend gestehen wir gerne zu, dass wir sicher keine letztgültige Antwort auf den detaillierten Verlauf der Anfänge haben. Wenn im vorliegenden Buch vorwiegend am Sockel etablierter Bilder gerüttelt wird, dann heißt das nur, dass wir begründen, dass wir die diesbezügliche naturwissenschaftliche Antwort nur für einen möglichen Zugang halten, der uns aber nicht zu einem umfassenden Bild führen kann. Es ist für uns Ausdruck von Respekt für die Größe des Geheimnisses der Schöpfung, wenn wir es bei dem Versuch belassen, dieses Geheimnis abzutasten, ohne es je zu lüften. Vielleicht, weil es gar nicht zu lüften ist.
Nach Kapitel 1 mit der Diskussion über prinzipielle Möglichkeiten und Grenzen astrophysikalischer Forschung, folgt in den Kapiteln 2 und 4 eine Art Review der aktuellen astrophysikalischen und kosmologischen Faktenlage, welcher das Wesentliche und Neue aus der aktuellen Literatur kondensiert darstellt. Es geht dabei um die Vermittlung soliden Wissens und das Verständnis seiner Randbedingungen. Sie sind die zentralen Kapitel über astrophysikalische Fakten. 
Kapitel 3 stellt kurz den grundlegenden theoretischen Hintergrund des Standardmodells mit seinem Umfeld dar, dessen Konzept hinter den populären Interpretationen steht. Kapitel 5 beleuchtet den erkenntnistheoretischen Hintergrund von Modellvorstellungen mit seinem Bezug zur Wirklichkeit, während Kapitel 6 als zusammenfassende Synthese einen Gesamtrahmen aufspannen will. Damit ist das vorliegende Buch eine weitgehend von Beobachtungsdaten ausgehende Arbeit, die sich aber nicht scheut, den Weltbild prägenden Charakter von Modellvorstellungen kritisch zu beleuchten und am Ende mit einem interdisziplinären Erklärungsrahmen für die Schöpfung ankommt.

1. Möglichkeiten und Grenzen astrophysikalischer Forschung

1.1. Welche Informationen erhalten wir von der Sternenwelt?

Wir erhalten praktisch alle Informationen durch elektromagnetische Wellen ("Licht"). Das trifft insbesondere auf die extragalaktische Astronomie zu. Zudem gibt es kosmische Teilchenstrahlung, Neutrinos, und bald auch die Möglichkeit der Beobachtung durch Gravitationswellen.
Die Auflösung unserer Apparate reicht nur, um nahe helle Sterne flächig aufgelöst darzustellen. Alle anderen Sterne sind so weit entfernt beziehungsweise so klein, dass sie nur als Lichtpunkte wahrgenommen werden können. Nur aus der Zerlegung ihres Lichts in die "Regenbogenfarben" - der Spektroskopie - erfahren wir etwas über ihre Eigenschaften, aus ihrer Bewegung im Raum, etwas über ihre Eigendynamik und aus periodischen Positionsschwankungen etwas über mögliche Begleitobjekte.
Allgemeiner sprechen wir von dem ankommenden "Licht" als von elektromagnetischer Strahlung. Diese reicht von den hochenergetischen Gamma- und Röntgenstrahlen über den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums bis hin zur Radiostrahlung als dem langwelligen Ende. Sie muss uns als wichtigster Informationsträger über den Aufbau der Sternenwelten genügen. Abbildung 1.1-1 weist die unterschiedlichen Bereiche der elektromagnetischen Strahlung aus. Gleichzeitig sind typische Vertreter für Satelliten bzw. Instrumente in den unterschiedlichen Bereichen dargestellt.
In Abbildung 1.1-1 fällt auf, dass die meisten Beobachtungen per Satellit stattfinden. Das hängt mit der fehlenden Transparenz der Erdatmosphäre für die ankommende Strahlung zusammen. Abbildung 1.1-2 zeigt zwei "Fenster" für die ankommende Strahlung. Das größere liegt genau dort, wo auch unser Auge empfindlich ist, im sichtbaren Bereich. Daneben gibt es noch das schmale "Radiofenster" zum Kosmos. Der komplette restliche Strahlungsanteil wird in der Atmosphäre absorbiert und damit verschluckt. Die Strahlung war also über unermessliche Strecken relativ ungehindert unterwegs, durcheilte die Weiten des Kosmos, um dann sozusagen unmittelbar über unseren Köpfen von der Erdatmosphäre verschluckt zu werden. Das hat sich seit Beginn des Raumfahrtzeitalters geändert. Mit den Möglichkeiten, jenseits der Strahlen absorbierenden Atmosphäre zu beobachten, machen wir uns die ganze Strahlenpalette der Sterne zugänglich.
So haben uns Raumsonden in den letzten Jahren mehr Kenntnis über unseren Kosmos vermittelt, als es eine über 3 000 Jahre währende Astronomiegeschichte vermochte. Sie umkreisten Planeten und setzten Sonden ab. Eine Flut von Daten, zahllose Nahaufnahmen von Planeten- und Mondoberflächen ergaben in kurzer Zeit ein neues Bild unseres Planetensystems. Gleichzeitig haben sie durch die Überwindung der Strahlen absorbierenden Erdatmosphäre neben der erdgebundenen optischen und der Radioastronomie die neuen Disziplinen der Infrarot-, Ultraviolett-, Röntgen-, und Gammastrahlenastronomie erst entstehen lassen. Der heute abgedeckte Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist damit von einer einzigen Oktave sichtbaren Lichts sprunghaft auf insgesamt 60 Oktaven angewachsen. Abbildung 1.1-3 veranschaulicht dies anhand einer relativen Temperaturskala. Die blau markierten Bereiche weisen die neu etablierten Disziplinen aus. 
Die Bedeutung der Beobachtung in unterschiedlichsten Spektralbereichen soll am Beispiel des Sterns Eta Carina illustriert werden. Abbildung 1.1-4 zeigt dieses Objekt zunächst im Röntgenbereich über das Chandra-Teleskop der NASA. Mit dem Hubble-Weltraumteleskop erscheint das helle Zentrum des gleichen Objekts nun im optischen Bereich als eine gewaltige Explosionswolke, während im Infrarot-Bereich die Struktur des Zentrums weiter aufgelöst dargestellt werden kann. Erst die Summe der Informationen aus den unterschiedlichsten Wellenlängenbereichen vermittelt uns also ein einigermaßen vollständiges Bild des Objekts.

5. Modell und Wirklichkeit

"Das als wahr Erkannte ist oft nur eine Decke aus dünnem Eis mit unbekannten Tiefen darunter."
H. Markl, Biologe

Der Mensch versucht, sich ein Bild zu machen von der Wirklichkeit, in der er lebt, Zusammenhänge zu sehen und diese "berechenbar" zu machen, auch da, wo sich zunächst nur unverstandene Einzelphänomene zeigen oder Teilzusammenhänge, die ihn nicht befriedigen und die er noch in umfassendere Zusammenhänge eingliedern möchte. Er sucht im weiteren Bereich seiner Erfahrungen und Einfälle nach Vorstellungen und Denkrastern, mit denen ihm das gelingt.
Dieses Streben nach Vereinheitlichung des menschlichen Denkens, das mit möglichst wenig "Prinzipien" eine möglichst große Anzahl von Phänomenen zu "erklären" und einzuordnen sucht, zielt heute im Letzten auf das mit einer "Weltformel" beschreibbare Weltbild ("Theory of Everything") ab. Während früher ein Weltbild dogmatisch den Ausgangspunkt für Erklärungen bildete, ist es heute eher ein Endprodukt, auf das wissenschaftliches Arbeiten abzielt. Ein Paradigmenwechsel?

5.1 Vom Weltbild zum Naturbild

Im Mittelalter gab es ein einheitliches vom Christentum geprägtes Weltbild. Mit dem Humanismus und der Reformation begann die Entwicklung mehrerer konkurrierender Weltbilder, und die Aufklärung suchte im Glauben an den Fortschritt und die Möglichkeiten der Wissenschaft den Menschen aus seiner "selbstverschuldeten Unmündigkeit" (Immanuel Kant) zu führen. Dabei hat der Begriff "Weltbild" immer versucht, ein Sinnganzes und den Rückbezug auf das eigene Lebensverständnis zu erfassen.
Heute wird landläufig ein Weltbild mit einem naturwissenschaftlichen Weltbild verbunden, was nach W. Heisenberg eigentlich ein Naturbild ist, weil Naturwissenschaft mehr nicht leisten kann. Nach dem bereits Geschilderten ist nicht überraschend, wenn nun das Naturbild in Abbildung 5.1-1 als eine Untermenge eines Weltbildes dargestellt wird.
Im Naturbild beschreibt die Physik funktionale Zusammenhänge angemessen und verbindlich, nachdem sie zuvor geeignete Randbedingungen postuliert hat. Insbesondere ist es dabei Aufgabe der Physik, Erklärungen für Vorgänge in unserer Welt zu finden, allein unter der Anwendung bekannter Naturgesetze - und ohne Eingriff von außen. Das ist die eigentliche Aufgabe der Naturwissenschaft.
Da das Naturbild eine Untermenge des Weltbildes ist, kann Letzteres zwar naturwissenschaftliche Aussagen enthalten, aber nicht einfach und eindeutig aus ihnen gefolgert werden. Beide Weltbilder passen keinesfalls spannungsfrei zueinander, aber es scheint lohnend, ihr Verhältnis genauer zu betrachten. Unter unseren Zeitgenossen gibt es Naturwissenschaftler mit unterschiedlichen Weltbildern. Aus einem Naturbild folgt nicht zwangsläufig und eindeutig ein Weltbild. Weltbilder gibt es nicht einfach und sie werden auch nicht durch bloße Forschung entdeckt: Wir machen uns welche.
Naturwissenschaftliche Erkenntnis im klassischen Sinn versteht sich ausschließlich als der "richtige" Weg zu nachweisbarem und zuverlässigem Wissen. Sie ist deshalb "nur" für das Sichtbare, Messbare und (unabhängig von Raum und Zeit) Reproduzierbare (siehe Einschränkungen in Kapitel 1) zuständig. Wenn wir Experimente anstellen, so fragen wir die Natur aus. Der Naturwissenschaftler kann nur dort mit Aussicht auf eine Antwort fragen, wo er beobachten kann. Aussagen, die darüber hinaus gehen, können allenfalls als deduktive, indirekt erschlossene Erkenntnis gelten. Der Weg, alles Übernatürliche abzuschaffen, nur weil es messend nicht zu erfassen ist, versucht, die Naturwissenschaft als Alleinklärungsinstanz zu überhöhen und ist nicht wirklich zielführend, weil er mögliche Optionen ohne hinreichende Begründung ausschließt. Die naturwissenschaftliche Aufgabe lautet also: Wie führen wir heutige Beobachtungen unter der Annahme der universellen Gültigkeit der uns heute bekannten naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten auf einen möglichst einfachen, gemeinsamen Anfangszustand zurück? Wird ein hinlänglich widerspruchsfreies Bild erreicht, nennt dies der Kosmologe eine naturwissenschaftliche Antwort auf die Frage nach dem Ursprung. Ob allerdings der auf diese Weise skizzierte Weg der tatsächliche war, bleibt grundsätzlich offen. Es geht nicht primär um die Reproduktion der wirklichen Kosmosentstehung, sondern um einen Erklärungsversuch, der möglichst weder den uns heute bekannten Naturgesetzen noch den heute bekannten Beobachtungsdaten widerspricht, ohne eine Gewähr auf wirkliche Historizität zu geben. Es wäre - falls erreichbar - damit nur gezeigt, dass es einen widerspruchsfreien Erklärungsversuch gibt.

5.2 Das Modell als Trivialisierung der Welt

Daten sind die Basisinformation, die jedoch ohne Interpretation nicht aussagekräftig ist. Die Natur ist zu komplex, um sie umfassend zu beschreiben. Deshalb bildet die Voraussetzung einer Einordnung in ein Naturbild ein entsprechendes Modell. Es ist etwas, womit wir anstelle einer nicht fassbaren Wirklichkeit operieren, wobei durch Isolieren einzelner Parameter eine Trivialisierung der Natur passiert. Damit ist nicht die Natur das Original, sondern eine durch bestimmte Filter präparierte Welt. Beim Naturbild handelt es sich eigentlich nicht um das Bild der Natur -, wie das Wort nahe legen könnte - sondern um ein Bild unserer Beziehungen zur Natur. Die "Wahrheit" der Modelle liegt allein in ihrer Bewährung, sprich wie gut sie Daten einordnen können. Naturwissenschaft kennt keine andere Autorität. Modelle sind stets vorläufig und dienen lediglich der Systematisierung und der Vorhersagbarkeit. Allerdings zeigt zum Beispiel das Urknallmodell den Weltbild stiftenden Charakter naturwissenschaftlicher Modelle.
Modelle können immer nur Teilaspekte unserer Welt modellieren. Beispiel: Ein Fischer arbeitet mit einem Netz einer gewissen Maschenweite von 5 cm und analysiert dann seinen Fang. Er stellt danach fest: Alle Fische sind größer als 5 cm. Er muss allerdings schnell einsehen, dass diese Aussage unmittelbar mit der Maschenweite seines Netzes zusammenhängt. Naturwissenschaftliche Modelle haben teilweise eine große Maschenweite.
Bewertung: Weltbild ist das ganze Haus, Naturbild lediglich ein Teil seiner Räume. Mit jeder Verfeinerung der naturwissenschaftlichen Methodik sind natürlich immer detailliertere Einsichten möglich (Wandstärke, Größe der Zimmer etc.). Diese Details mögen gar zu unterschiedlichen Häusern passen. Allerdings kommt das ganze Haus auf diesem Wege nie in den Blick. So findet sich auch keine Abbildung des Architekten im jeweils gewählten Teil. Wer allerdings deshalb die Existenz des Architekten leugnet, zeigt nur mangelndes Methodenbewusstsein. Naturwissenschaft kann keinem die Entscheidung für oder gegen ein Weltbild abnehmen. Sie kann dafür nur Anhaltspunkte liefern. Oder anders ausgedrückt: Wir werden der Wirklichkeit der Welt am ehesten gerecht, wenn wir von einem Ineinander-Verwobensein von sichtbarer und unsichtbarer Wirklichkeit ausgehen, so dass die Welt der Naturwissenschaft nur als Teilmenge der Gesamtwirklichkeit aufscheint, sozusagen als Weltvordergrund.

5.3 Anpassbare Parameter

Computer-Simulationen sind gängige, unersetzliche Elemente des naturwissenschaftlichen Erkenntnisprozesses. Man muss sich allerdings der Grenzen einer softwaremäßigen Simulation bewusst sein:

- Werden sie mit angemessenen, realistischen Randbedingungen gestartet?
- Beschreiben sie den ganzen Prozess adäquat?

Allerdings verführen die Möglichkeiten heutiger Computer zur Einführung von zahlreichen anpassbaren Parametern, wozu im nächsten Abschnitt ein Beispiel gegeben wird. Das Ergebnis sind Modelle mit großer Maschenweite. Computer mit ihren Simulationsmöglichkeiten fördern den Glauben an die Möglichkeit einer Modellierung. Er scheint fast eine Art Religion der jungen Generation zu sein. Man sitzt vor diesen Wundermaschinen, die auf Kommando Wirbelstürme simulieren und Steuererklärungen ausspucken. Hier hat sich teilweise ein Prozess verselbständigt, der weitgehend das Experiment ersetzt.
Dazu ein Beispiel: Eine oft getätigte Kritik trifft einen Trend in der modernen Physik zu zahlreichen, anpassbaren Parametern. Wenn auch solche Theorien Vorhersagen machen, so geht das auf Kosten ihrer Eindeutigkeit. Im Extremfall können weitgehend unterschiedliche Daten auf irgendwelche Weise in flexible Theorien eingebaut werden, so dass in letzter Konsequenz die Theorie durch ihre Flexibilität unwiderlegbar ist. In der Zuspitzung könnte das Strickmuster folgendermaßen lauten: Überprüfe die Vorhersage anhand der Daten. Gelingt die experimentelle Bestätigung nicht unmittelbar, dann erreiche eine Übereinstimmung - oder vermeide zumindest einen Widerspruch - durch Einführung anpassbarer Parameter oder gehe zu einer leicht modifizierten Theorie über.

5.4 Konstanz der Konstanten

"Die Naturkonstanten spiegeln zugleich unser größtes Wissen und unsere größte Ratlosigkeit wider."
John Barrow, Astrophysiker an der Universität Cambridge

Was könnte mehr ermüden als eine Debatte über etwas, das sich gar nicht ändert? Doch Kosmologen und Physiker geraten regelmäßig aus dem Häuschen, spricht man die "Konstanz der Naturkonstanten" an. Sieht man jedoch, wie dieses Thema das Selbstverständnis von Astronomen und Teilchenphysikern gleichermaßen berührt, wird die Aufregung klar.
Man kennt heute ein System von rund 25 Naturkonstanten. Meist werden sie in den Lehrbüchern der Physik als Fundamente der Naturwissenschaft wie die 10 Gebote aufgelistet, während sie von anderen Experten für "menschliche Konstrukte" gehalten werden. Immer wieder tauchen zum Beispiel Berichte zu einer variablen Lichtgeschwindigkeit auf, verschwinden aber auch schnell wieder. 
Sicher ist diese Polemik nicht ganz ernst gemeint. Doch der Grundsatzstreit unter den Physikern ist echt - und die Thesen radikal. Gelegentlich scheint nichts mehr heilig: Newtons Gravitationskonstante? - Schwankt wie der Börsenkurs. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, deren Konstanz für Einstein das Fundament seiner Relativitätstheorie war? Plötzlich soll sie alles andere als konstant sein. Die Ladung des Elektrons? Mal größer, mal kleiner. Ob solcher Berichte wackelt für manche schon die gesamte moderne Physik.
Die Physiker hassen und lieben ihre Konstanten zugleich. Einerseits wäre Physik ohne Konstanten nicht denkbar. Auf der anderen Seite wurmt es den Physiker, dass er einige Faktoren in seinen Formeln gleichsam von Hand hinzufügen muss. Max Planck träumte von einer Theorie mit einer einzigen Konstanten, aus der alles andere ableitbar wäre. Bis heute weiß niemand, ob die Naturkonstanten nur Zufälle sind oder sich aus grundlegenden Prinzipien ableiten lassen. 
Am meisten ärgern sich die Physiker über die krummen Werte der Naturkonstanten. Dass das Licht mit 299 792 Kilometern pro Sekunde durch das All flitzt, ist dabei noch das geringste Übel. Was den Physikern mehr Kopfschmerzen bereitet, sind fundamentale Konstanten wie die Feinstrukturkonstante Alpha. Sie sind aus anderen Konstanten derart zusammengesetzt, dass die vom Menschen willkürlich festgelegten Maßeinheiten sich herauskürzen. Alpha kommt ohne Gramm, Meter und Sekunde oder Ähnliches aus und ist ein reiner Zahlenwert - ungefähr 1/137,036. Der merkwürdige Bruch wurde 1915 von A. Sommerfeld eingeführt, um die Bahnen der Elektronen um den Atomkern zu beschreiben. Seitdem rätselt man, warum gerade eine hässliche 137 unter dem Bruchstrich steht. Den Quantenphysiker W. Pauli verfolgte dieser seltsame Wert bis an sein Lebensende: Er soll in einem Krankenzimmer mit derselben Nummer gestorben sein. 
Obwohl die Naturkonstanten mit immer größerer Genauigkeit vermessen werden können, sind ihre Werte nicht erklärbar. Sie bergen sozusagen das letzte Geheimnis des Universums. Das System der Naturkonstanten gleicht einem sorgsam austarierten Kartenhaus. Das Haus ist stabil, solange sich nichts bewegt. Doch die kleinste Änderung irgendwo könnte alles zum Einsturz bringen. Ganz unten im Kartenhaus steckt Alpha: "Wenn der Wert von Alpha weiter wächst", sagt der israelische Theoretiker J. Bekenstein, "werden die Atome eines Tages zusammenstürzen." Das Universum würde dann nur noch aus Strahlung bestehen. Keine Materie, kein Leben - ziemlich langweilig. Einziger Trost: Das traurige Ende ist noch in weiter Ferne, wenn die Sonne längst erloschen ist.
Was hat es mit möglichen Schwankungen der Feinstrukturkonstanten auf sich? Wie wird sie gemessen? Nachstehend als Stichwort, zusammenfassend und ohne hier weiter darauf einzugehen, die gängigen Methoden, während der Diskurs zu einer möglichen Zeitabhängigkeit der Feinstrukturkonstanten anschließend angesprochen wird.

Spektren entfernter Quasare (0.6 < z < 3): 
- Flambaum, Webb et al (Keck Teleskop): Für z>1 war die Feinstrukturkonstante
   um 0.0005% kleiner als heute. Allerdings sind die Fehlerbalken groß 
- Srianand et al. (ESO): keine Änderung

Oklo natürlicher Kernreaktor vor 2 Mrd. Jahren:
- Damour, Dyson: keine Änderung
- Lamoreaux, Torgersen (erneute Analyse der Daten): leichte Änderung

Laborexperimente:
- Hänsch et al: zwischen 1999 und 2003 keine Änderung

Ausgelöst wurde die Diskussion im Jahre 2002, als ein internationales Forscherteam die Auswertung von Spektren weit entfernter Sterne präsentierte. Sie wurden an Objekten in einer Entfernung von 11 Milliarden Lichtjahren mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii gemessen. Die charakteristischen Spektrallinien dieser fernen Objekte sind so etwas wie der Strichcode der frühen Materie. Dabei wurde beobachtet, dass die Lichtwellen von Eisen, Nickel, Magnesium, Zink und Aluminium weiter draußen im All etwas andere Frequenzen haben sollen als die Spektren dieser Elemente auf der Erde. Das Ergebnis war: Alpha - so etwas, wie die Mutter aller Naturkonstanten - hatte im frühen Universum einen etwas kleineren Wert als heute (da Alpha als Produkt anderer Naturkonstanten geschrieben werden kann, zum Beispiel der Vakuumlichtgeschwindigkeit, des Planckschen Wirkungsquantums etc. müssen sich auch diejenigen fragen, was sie tun, wenn sie mit der Konstanz Lichtgeschwindigkeit spielen).
Die Abweichung bei dieser schwierigen Messung beträgt nur ein hundertstel Promille. Eine Veränderung der Feinstrukturkonstanten Alpha wäre besonders dramatisch, weil diese die Kraft zwischen dem Atomkern und der Elektronenhülle bestimmt. Damit wäre auch die Masse des Protons berührt, deren Schwankung zehn Mal so stark wäre. Sicher ist es fraglich, ob die betreffenden Messfehler richtig abgeschätzt wurden. Erst eine unabhängige Messung mit einem anderen Teleskop kann hier mehr Klarheit bringen. 
Ein Team europäischer Astronomen nahm sich 34 Nächte Zeit, um mit dem 8,5m Teleskop Kueyen und dem Spektrographen UVES 18 weit entfernte Quasare aufzunehmen. Dabei fungieren die Quasare nur als helle, weit entfernte Lichtquellen. Das Licht der Quasare wird von interstellaren Wolken, die in den Galaxien zwischen uns und den Quasaren liegen, teilweise absorbiert. Die so entstehenden Absorptionslinienspektren verraten uns, wie groß zum Zeitpunkt der jeweiligen Absorption der Wert der Feinstrukturkonstante ist. Hierbei befinden sich die absorbierenden Gaswolken in sechs bis elf Milliarden Lichtjahren Entfernung, also auch entsprechend weit zurück in der Zeit. Insgesamt 50 solcher Absorptionszentren hat das Team analysiert. Konnten die Astronomen eine Abhängigkeit der Feinstrukturkonstante von der Entfernung feststellen? Abbildung 5.4.1 zeigt das Ergebnis der ESO.
Die relative Änderung der Feinstrukturkonstante ist hier gegen die aus der Rotverschiebung ermittelten Entfernung aufgetragen. Als Resultat geben die europäischen Astronomen an, dass sich während der letzten zehn Milliarden Jahre die relative Änderung der Feinstrukturkonstante weniger als 0,6 Millionstel beträgt. Die von der gestrichelten Linie eingerahmte Fläche ist der Wert der relativen Änderung, die eine bislang vorgetragene Hypothese vorhersagt. Die Messungen der ESO widerlegen diese Vorhersage deutlich.
Mit derselben Methode wollen die Astronomen nun auch andere Naturkonstanten untersuchen. Insbesondere das Verhältnis aus Protonen- und Elektronenmasse soll aus dem Studium der Absorptionslinien weit entfernter Wasserstoffmoleküle bestimmt werden. Wir werden sehen, wie konstant dieses Verhältnis über die letzten Jahrmilliarden war, denn die Situation in Bezug auf die anderen Konstanten ist ganz ähnlich. 
G. Börner vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrik in Garching hat für die emsige Forschungstätigkeit um die Konstanz der Konstanten eine ganz banale Erklärung: "Die Theoretiker langweilen sich, weil die großen Teilchenbeschleuniger wegen Umbaus gerade keine Daten liefern." Allerdings sind mit diesem Seitenhieb gegen die Theoretiker die mit dem Thema des Kapitels berührten Probleme nicht gelöst. - Falls sie überhaupt zuverlässig gelöst werden können.
In modernen Superstring-Theorien, die es sich zur Aufgabe machen, Quantenmechanik und Gravitation in einer einzigen Theorie zu beschreiben, ergibt sich die Zeitabhängigkeit der Naturkonstanten direkt aus der Existenz so genannter verborgener Dimensionen.

5.5 Daten und deren Deutung

"Astrophysiker irren oft, aber zweifeln nie."
L. Landau

Zur Darstellung unserer Situation soll die in Abbildung 5.5-1 gezeigte Skizze dienen: Die gestrichelte Linie sei der wirkliche Verlauf der Weltgeschichte; wir nennen sie Weltlinie. Sie führt uns von der wirklichen Vergangenheit zur wirklichen Zukunft. Der heutige Tag ist ein Punkt entlang des Verlaufs der Weltlinie; wir nennen ihn Gegenwart. In diesem Punkt können wir zuverlässig die ermittelten Daten und die damit zu verbindenden Gesetze darstellen. Da wir im Allgemeinen die heute bekannten Naturgesetze zur Bestimmung vergangener Verhältnisse nur linear nach hinten und zur Vorherbestimmung zukünftiger Entwicklungen nur linear nach vorne extrapolieren können, kommen wir zum Beispiel im Rahmen eines Urknallmodells als Tangente an der Weltlinie im Punkt der Gegenwart zum Big Bang bzw. zum Big Bounce (falls die seit einigen Jahrzehnten diskutierte beschleunigte Expansion des Weltalls nicht anhält). Das Bild veranschaulicht auch, dass die Unsicherheiten mit der zeitlichen Entfernung von der Gegenwart drastisch zunimmt. Damit liegt zwischen der ermittelten und der wirklichen Vergangenheit beziehungsweise Zukunft ein unbestimmtes Deutungsfeld, das wir Pseudo-Vergangenheit bzw. Pseudo-Zukunft nennen wollen. Der Weg der linearen Extrapolation führt uns in Richtung Vergangenheit und Zukunft in Modell-Scheinwelten.
Wenn nach erfolgter Modellierung eines Vorgangs Beobachtungsdaten vorliegen, ist zu erwarten, dass uns diese Korrekturen indizieren. Wenn allerdings anpassbare Theorien die Basis bilden, so ist die Versuchung gegeben, alternative Erklärungen erst gar nicht heranzuziehen. Dieser Prozess wird teilweise unterstützt durch Review Boards, das heißt Einrichtungen im Wissenschaftsapparat, die Beobachtungsvorschläge zum Beispiel für Großteleskope und die Inhalte zur Veröffentlichung eingereichter Aufsätze auf ihre Sinnfälligkeit beurteilen und eben freigeben oder auch nicht. Sie sorgen zusätzlich dafür, dass es Deutungen im sogenannten Mainstream bewusst oder unbewusst immer leichter haben. Dieser Filter wird auch wirksam bei der Akzeptanz von Vorschlägen für Beobachtungsprogramme. 
Schlussbemerkung: Das Buch wird ein aktuelles, ausführliches Quellen- und Stichwortverzeichnis haben, so dass auch nicht so gängige Begriffe erläutert werden. Zudem schließt sich an die Kapitel mit zum Teil kontroverser Diskussion eine persönliche Bewertung an. Bleibt zu hoffen, dass dieser kurze Einblick die Spannung auf dieses sehr gründliche, hochaktuelle Buch bei einem weiten Kreis potentieller Leser gesteigert hat und dass sie sich zusammen mit den Autoren auf ein pünktliches Erscheinen um die Jahreswende freuen. ?