Nobelpreis in Physik Mehr, als das Auge sehen kann

Der Physiknobelpreis ehrt die Entdecker der "dunklen Energie" im Kosmos. Ihre Forschung zeigt: Über den größten Teil des Universums weiß die Wissenschaft so gut wie nichts.

Kann die Vergrößerung von Unwissen preiswürdig sein? Aber sicher! Der Physiknobelpreis dieses Jahres ist das beste Beispiel dafür. Denn wofür werden die drei Laureaten geehrt? Das Wort hat das Nobelkomitee: »Die Entdeckungen der Preisträger haben dazu beigetragen, uns ein Universum zu enthüllen, das der Wissenschaft zu einem großen Teil unbekannt ist.« Ein Tusch auf das Unbekannte! Dank Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam Riess wissen wir nun: Über den größten Teil des Universums wissen wir so gut wie nichts. Seine Erforscher befinden sich damit in der Situation von biederen Küstenfischern, die plötzlich entdecken, dass vor ihnen ein Ozean unendlichen Ausmaßes liegt, dessen ferne Ufer sie nicht einmal erahnen.

Tatsächlich markiert die Arbeit der drei US-amerikanischen Astrophysiker eine Zäsur in der modernen Kosmologie. Ihnen verdanken wir die Erkenntnis, dass sich im All eine »dunkle Energie« verbirgt. Welcher Natur diese Energieform ist, darüber zerbrechen sich seit gut zehn Jahren die Wissenschaftler die Köpfe. Klar ist nur, dass von ihr nicht weniger als das Schicksal des Universums abhängt. Dehnt es sich bis in alle Ewigkeit aus? Zieht es sich eines Tages wieder zusammen? Oder sind gar noch andere Weltentwürfe denkbar? Mit dankenswerter Klarheit stellt das Nobelkomitee fest: »Alles ist möglich.«

Dabei traten Perlmutter, Schmidt und Riess vor etwa zwanzig Jahren mit dem Ziel an, das bis dahin herrschende Bild vom Kosmos zu bestätigen, es nur noch in einigen Details zu verfeinern. Keiner von ihnen dachte daran, einen Umsturz anzuzetteln. Um zu verstehen, warum es anders kam, hilft es, kurz die wissenschaftliche Schöpfungsgeschichte zu rekapitulieren.

Das Universum verhält sich wie ein Autofahrer vor der Ampel

Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts galt der Kosmos als unwandelbares, statisches Gebilde. Was Generationen vor ihnen gedacht hatten, stellten die Physiker lange nicht infrage. Auch Albert Einstein, der das Weltbild revolutionierte, ging selbstverständlich von einem unveränderlichen Kosmos aus. Als die Gleichungen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie 1917 wider Erwarten kein statisches, sondern ein expandierendes All beschrieben, »korrigierte« Einstein seine Formeln; er fügte einfach einen zusätzlichen Faktor ein, den er »kosmologische Konstante« nannte. Diese beschrieb zwar keine beobachtbare physikalische Größe, sondern war nur ein Rechentrick. Doch der sorgte mathematisch für Ruhe im All.

Dummerweise wies der Astronom Edwin Hubble 1929 nach, dass es mit dieser Ruhe nicht weit her ist. Im Gegenteil, je weiter entfernt eine Galaxie von der Erde ist, desto schneller bewegt sie sich von uns fort – ein Effekt, der sich in einer Verschiebung des Lichtspektrums hin zu größeren, roten Wellenlängen zeigt (»Rotverschiebung«). Das All gleicht demnach einem riesigen, immer weiter aufgehenden Hefekuchen; und wie die darin befindlichen Rosinen treibt es auch die Galaxien im All immer weiter auseinander. Einstein nannte daraufhin die kosmologische Konstante seine »größte Eselei«. Er konnte damals nicht ahnen, dass sie fast ein Jahrhundert später wieder zu Ehren kommen sollte.

Zunächst aber gewöhnten sich die Astronomen an den Gedanken eines expandierenden Alls und entwarfen die Urknalltheorie: Demnach begann unser Universum vor knapp 14 Milliarden Jahren in einem Zustand unendlicher Dichte und Temperatur (Big Bang) und dehnt sich seitdem permanent aus. Strittig schien nur, wann der Anfangsschwung an sein Ende kommen würde. Schließlich ist der Kosmos voller Materie; schätzungsweise 100 Milliarden Galaxien tummeln sich im All und ziehen sich gegenseitig an. Diese gewaltige Schwerkraft, so lautete die Annahme, müsste den Schub des Urknalls irgendwann abbremsen. Nur wann?

Diese Frage wollte in den neunziger Jahren gleich zwei Astronomenteams beantworten; zum einen das von Saul Perlmutter geleitete Supernova Cosmology Project , zum anderen Brian SchmidtsHigh-Z-Supernova Search Team. Beide untersuchten die Ausdehnungsgeschwindigkeit anhand weit entfernter Sternexplosionen, sogenannter Supernovae Typ Ia. Diese sind die hellsten Leuchtquellen im Universum. Indem man ihre Leuchtkraft misst, kann man auf ihre Entfernung rückschließen. Und mithilfe der Rotverschiebung ihres Lichts lässt sich ihre Geschwindigkeit bestimmen.

Dabei erhält man auch einen Einblick in die Geschichte unseres Kosmos: Denn je weiter entfernt ein Stern ist, desto länger braucht sein Licht, bis es die Erde erreicht – desto älter ist also das Objekt. Auf diese Weise wollten Perlmutter und Schmidt herausfinden, ob die Expansionsgeschwindigkeit des Alls im Laufe der Zeit abnahm.

Ihre Daten jedoch legten das Gegenteil nahe: Supernovae jüngeren Datums bewegten sich viel schneller als erwartet, ja, die Expansion des Alls schien im Laufe der Zeit nicht ab-, sondern zuzunehmen – ganz so, als ob eine geheimnisvolle Kraft die Galaxien auseinandertriebe.

Als Perlmutter im Dezember 1997 diese Ergebnisse erstmals auf einer Tagung vorstellte, so erinnerte er sich später in einem Interview, sei als Erstes der berühmte Kosmologe Joel Primack aufgestanden und habe gesagt: »Bevor jetzt irgendjemand eine Frage stellt, möchte ich klarmachen, was das bedeutet: Das ist ein Schock.« Im Frühjahr 1998 kam dann die Bestätigung von Schmidt und Riess: Ihre Daten zeigten exakt dasselbe Muster.

Adam Riess, der damals noch ein junger Forscher war, vermaß in den folgenden Jahren die Supernovae-Geschwindigkeiten immer genauer – mit noch irritierenderem Ergebnis: Demnach verlangsamte sich bis vor etwa 7,5 Milliarden Jahren tatsächlich die Expansion des Alls; danach gewann die Ausdehnung plötzlich wieder an Fahrt. »Das Universum verhält sich wie ein Autofahrer, der beim Zufahren auf eine rote Ampel abbremst und plötzlich aufs Gas tritt, wenn sie grün wird«, kommentierte Riess damals konsterniert.

Seither fragen sich die Kosmologen, welche beschleunigende Kraft denn da am Werke sei. Nach dem Faustschen Motto »Wo Begriffe fehlen, da stellt ein Wort zur rechten Zeit sich ein« fanden sie zumindest eine passende Bezeichnung: Der Astrophysiker Michael Turner nannte die mysteriöse Treibkraft »dunkle Energie«, in Anlehnung an die »dunkle Materie«, die schon länger in den astronomischen Gleichungen auftauchte.

Beides sind allerdings nur wissenschaftlich klingende Ausdrücke für »Nichts Genaues weiß man nicht«. Denn »dunkel« heißt zunächst einmal nur: unsichtbar, unbekannt. Sowohl die dunkle Materie als auch die Energie sind nicht direkt beobachtbar, sie offenbaren sich nur über ihre Wirkungen. Die Dunkelenergie spielt dabei in dem sich aufblähenden All die Rolle der kosmischen Hefe; die Dunkelmaterie ist der Teig, der alles zusammenhält. So lässt sich beispielsweise die Bildung der großräumigen Strukturen im All nur erklären, wenn man von großen Mengen unsichtbarer Materie ausgeht. »Die dunkle Materie und die dunkle Energie sind das Yin und Yang des Universums«, formulierte Michael Turner poetisch.

Am Unwissen änderte sich dadurch allerdings nichts. Berechnungen zeigen inzwischen, dass die dunkle Energie rund 70 Prozent der Energiedichte des Alls ausmacht; weitere 25 Prozent gehen auf das Konto der sogenannten dunklen Materie. Damit stehen die Astrophysiker vor dem kuriosen Phänomen, dass die uns bekannten chemischen Elemente nur etwa 5 Prozent des Universums ausmachen. Der größte Teil des Alls dagegen ist der Wissenschaft verborgen.

Nicht dass es an Erklärungen mangelte. Manche Physiker glauben zum Beispiel, dass Einstein mit seiner »Eselei« in genialer Vorwegnahme schon die Lösung skizzierte. Vielleicht beschreibt seine kosmologische Konstante just die geheimnisvolle Hefe im All. Die Quantenmechanik liefert mittlerweile sogar eine physikalische Erklärung dafür. Ihr zufolge lässt sich die kosmologische Konstante als »Vakuumenergie« deuten, die bei den quantenphysikalischen Energiefluktuationen entsteht. Einziger Schönheitsfehler: Die quantenmechanischen Berechnungen ergeben einen Wert, der rund 120 Zehnerpotenzen größer ist als jener, den die astronomischen Beobachtungen erfordern – die »schlechteste Vorhersage« in der Geschichte der Physik, witzeln Theoretiker.

Derzeit lässt sich kaum eine der kosmologischen Theorien beweisen

Doch es gibt auch alternative Vorschläge, etwa die Existenz eines noch unbekannten Kraftfelds namens Quintessenz (ein Begriff, der aus der Antike entlehnt ist und der eine fünfte Substanz neben den vier klassischen Elementen – Erde, Wasser, Feuer, Luft – beschrieb). Oder dass die beschleunigte Expansion unseres Kosmos darauf zurückzuführen sei, dass noch viele weitere Universen existieren und eines davon an unserem »zieht«. Oder dass sich die Lichtgeschwindigkeit im Laufe der Ausbreitung unseres Alls verändert – dann müssten die Supernovae-Daten völlig neu gedeutet werden. Leider lässt sich kaum eine dieser Theorien mit heutigen Hilfsmitteln beweisen.

Ihr Weg zur Medaille

© Sabine Hecher

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Ausgeschlossen scheint nur, dass die Messungen selbst fehlerhaft sind. Mit dem Nobelpreis für Perlmutter, Schmidt und Riess haben die drei den endgültigen Ritterschlag erhalten, der ihre Forschungsergebnisse (fast) unangreifbar macht. Dass der Kosmos damit eher rätselhafter wurde und unser modernes Weltbild weniger geschlossen ist als jemals zuvor, gehört zur Logik echter Forschung. Fortschritt verläuft eben längst nicht immer linear, und manchmal besteht der Erkenntniszuwachs gerade darin, mit scheinbaren Gewissheiten aufzuräumen und einen Zustand größerer Verwirrung herbeizuführen.

Häufig ist die Klage zu hören, angesichts der nüchternen Erklärungen der modernen Wissenschaft bleibe kein Platz für das Merkwürdige und Wunderbare. Da stiftet der diesjährige Physiknobelpreis ein wenig Trost. Schließlich hat die Forschung der drei Laureaten so viele Geheimnisse offenbart, dass der Fantasie ungeahnte neue Räume eröffnet wurden. In der Kosmologie jedenfalls sind die Erkenntnisgrenzen mittlerweile so weit hinausgeschoben, dass in der dunklen Weite des Alls alles denkbar scheint.