Warum ist der Nachthimmel schwarz?

Draußen wird es langsam dunkel. Eine gute Gelegenheit, sich einmal mit der nicht gerade trivialen Frage zu beschäftigen, warum es des nachts eigentlich dunkel ist – oder, anders ausgedrückt, warum uns der Nachthimmel „schwarz“ und nicht sonnenhell erscheint. Sie werden sich jetzt fragen, warum sollte denn gerade der Nachthimmel hell sein? Es geht dabei um die scheinbar unausweichliche Konsequenz einer Idee, die aus der Antike stammt und einer Überlegung, die sich im Rahmen der kopernikanischen Revolution ergeben hat, nämlich um die Idee eines unendlich ausgedehnten Weltraums, angefüllt mit Sternen… 

Das ein Universum mit einer „Grenze“ logisch unmöglich ist, hat bereits der berühmte römische Dichter und Philosoph Titius Lucretius Carus, kurz „Lukrez“ genannt (vermutlich 97-55 v. Chr.), gezeigt, in dem er sinngemäß in seinem Werk „De Rerum Natura“ schreibt: 

„Wenn der Raum endlich ist, hat er eine Grenze. Man stelle sich vor, jemand dringt bis zu diesem letzten Punkt der Welt vor und schleudert einen Pfeil gegen die Grenze. Entweder wird der Pfeil über die Grenze hinausfliegen, oder irgendetwas wird ihn aufhalten; etwas, das selbst jenseits der Grenze liegen muss. In jedem Fall befindet sich etwas jenseits der Grenze. Diese Demonstration kann beliebig oft wiederholt und so die angebliche Grenze unendlich weit zurückgeschoben werden.“ 

Entsprechend dieser Argumentation sahen es die Astronomen seit Copernicus stillschweigend als selbstverständlich an, dass der kosmische Raum in alle seine drei Richtungen unendlich weit ausgedehnt ist. Aber mit dem „Unendlichen“ hat es so seine eigene Bewandtnis, wie schon die unendlich vielen Stellen der Zahl Pi zeigen. Denn wenn es in einem unendlich ausgedehnten Raum unendlich viele, in diesem Raum näherungsweise gleichverteilte Sterne gibt, dann würde jeder mögliche Sehstrahl in jeder beliebigen Richtung irgendwo auf einen Stern treffen. Es ist ähnlich wie inmitten eines ausreichend großen Wald (am besten zu sehen in einem Fichtenforst), wo auch in jede (horizontale) Richtung irgendwo ein Baumstamm zu sehen ist. 

Und genau solch eine Analogie veranlasste den Bremer Arzt und Liebhaberastronomen (der seine „Liebhaberei“ aber wie ein professioneller Astronom ausübte) Wilhelm Olbers (1758-1840) im Jahre 1823 eine Schrift mit dem Titel „Über die Durchsichtigkeit des Weltraums“ an den Herausgeber des „Astronomischen Jahrbuchs“, J. E. Bode, zu schicken, der sie dann veröffentlichte (der Artikel kann im Internet bei Google Books leicht gefunden werden). Der wesentliche und der später „Olber‘s Paradoxon“ genannte Sachverhalt liest sich darin wie folgt: 

„... Sind wirklich im ganzen unendlichen Raum Sonnen vorhanden, sie mögen nun in ungefähr gleichen Abständen von einander, oder in Milchstrassen-Systeme vertheilt sein, so wird ihre Menge unendlich, und da müsste der ganze Himmel eben so hell sein wie die Sonne. Denn jede Linie, die ich mir von unserem Auge gezogen denken kann, wird nothwendig auf irgend einen Fixstern treffen, und also müsste uns jeder Punkt am Himmel Fixsternlicht, also Sonnenlicht zusenden...“ 

Ein unendlich ausgedehntes Universum, in dem Sterne gleichmäßig verteilt sind (es kommt nicht mal auf die Sterndichte an!), müsste einen Nachthimmel mit der Helligkeit eines mittleren Sterns wie die Sonne liefern. Und das ist offensichtlich nicht der Fall. 

Die Lösung dieses Paradoxons erwies sich als ausgesprochen schwierig und auch heute wird es noch zum Test diverser kosmologischer Weltmodelle herangezogen, sozusagen als KO-Kriterium. Der Grund liegt darin, dass die Schlussfolgerung, die Olbers gezogen hat, unter der Annahme eines unendlich ausgedehnten, gleichförmig mit Sternen besetzten und schon immer existierenden Universums einfach zwingend ist. Da hilft auch die Argumentation nicht weiter, dass die Sterne mit steigender Entfernung immer schwächer werden. Zwar nimmt die Helligkeit eines Sterns mit dem Quadrat der Entfernung (d. h. 1/r²) ab, aber die Zahl der Sterne nimmt mit r³ zu. Man hat es dann mit „Dunkelwolken“ probiert, die aber letztendlich aus physikalischen Gründen irgendwann genauso hell wie die Sterne leuchten würden (Stichwort: Kirchhoffsches Strahlungsgesetz); man hat es mit einer bestimmten hierarchischen Verteilung der Sterne im Kosmos versucht (Weltmodelle nach Carl Charlier) und sich noch einige andere Begründungen ausgedacht, die aber alle ihre eigenen Macken hatten. Aber bereits um 1854 deutete sich eine Lösung an, und zwar in Form eines Kolloquiums-Beitrags des Mathematikers Bernhard Riemann (1826-1866) mit dem Titel „Ueber die Hypothesen, die der Geometrie zu Grunde liegen“ – freilich noch, ohne auf das genannte Paradoxon irgendwie Bezug zu nehmen. 

Es gibt nämlich (mathematisch gesehen) „Räume“, die zwar endlich, aber unbegrenzt sind. Olbers und seine Zeitgenossen gingen natürlich von der einzigen „Raumart“ aus, die sie sich auch vorstellen konnten, und zwar von einem sogenannten „Euklidischen Raum“, der bekanntlich „unendlich“ und ohne Grenzen ist. Dieser „Raum“ ist u. a. dadurch gekennzeichnet, dass zwei Parallelen sich niemals, auch im „Unendlichen“ nicht, schneiden. In der Geometrie des Euklid (das ist die Geometrie, die man in ihren Grundzügen in der Schule beigebracht bekommt) wird es als fünftes Postulat oder Axiom eingeführt, weshalb man von ihm auch vom „Parallelenaxiom“ spricht. Man muss es als Axiom einführen, da es sich als Satz im Rahmen der anderen vier Axiome nicht beweisen ließ, obwohl sich seit Archimedes viele Mathematiker daran versucht hatten. Erst Carl Friedrich Gauß (1777-1855) erkannte, dass dieses „Parallelenproblem“ prinzipiell nicht lösbar ist. Heute weiß man auch, warum. Denn die Euklidische Geometrie ist nur eine ganz spezielle Geometrie unter unendlich anderen denkbaren, welche auch „gekrümmte“ Räume beschreiben und in denen das Parallelenaxiom nicht gilt. 

Die Entdeckung und Erforschung derartiger „nichteuklidischer Geometrien“ ist mit so berühmten Namen wie Carl Friedrich Gauß, Janos Bolyai (1802-1860), Bernhard Riemann (1826-1866) und Nikolai Iwanowitsch Lobatschewski (1792-1856) verbunden. Auch ein gestandener Mathematiker kann sich einen gekrümmten dreidimensionalen Raum nur schwer vorstellen. Deshalb greift man zur Veranschaulichung oft auf zweidimensionale „Räume“ zurück, die man sich als Flächen vorstellen kann, die in einem dreidimensionalen Raum eingebettet sind. In solch einem Modell stellt sich das Olberssche Paradoxon folgendermaßen dar: Man stelle sich eine unendlich ausgedehnte „Ebene“ vor (im euklidischen Einbettungsraum mit den Koordinatenachsen x, y und z soll hier für diese Ebene x, y die Beziehung z=const. gelten), die gleichmäßig mit unendlich vielen Punkten (sie sollen Sterne darstellen) belegt ist. Jetzt stellen wir uns vor, das wir uns als zweidimensionales Wesen (natürlich ohne Ausdehnung in z-Richtung und ohne Verdauungstrakt!) an einem Punkt (x, y) dieser unendlich ausgedehnten Ebene befinden. Wenn man jetzt in irgendeine Blickrichtung eine Gerade zieht, dann wird diese Gerade irgendwo einmal zwangsläufig auf einen Punkt (=Stern) treffen. Und das gilt für jede denkbare Richtung auf dieser „euklidischen Ebene“. Und jetzt stellen wir uns eine Kugeloberfläche als „Ebene“ vor, die auch in einem dreidimensionalen Raum eingebettet ist. Für den zweidimensionalen Bewohner dieser Kugelfläche unterscheidet sie sich lokal erst einmal überhaupt nicht von der euklidischen Ebene. Er kann sich auch hier in jede Richtung frei bewegen. Es gibt aber durchaus wesentliche Unterschiede: 1. die Fläche ist endlich (genau 4Pi r², wenn r der Kugelradius ist) und 2. die Fläche ist unbegrenzt. Wenn man sich darauf bewegt, wird man nie eine Begrenzung finden. Die Kugeloberfläche kann man deshalb als das zweidimensionale Analogon eines „Raumes“, der endlich, aber unbegrenzt ist, betrachten. Bedeckt man diese Kugeloberfläche mit einer nun endlichen Zahl von Punkten, dann wird es immer einen Sehstrahl geben, der keinen dieser Punkte schneidet. Außerdem wäre dieser „Sehstrahl“ eine geschlossene Kurve (hier ein Kreis). 

Eine interessante Frage in diesem Zusammenhang ist es, wie man als „Zweidimensionaler“ (natürlich auch hier ohne Verdauungstrakt!) quasi experimentell feststellen kann, ob man auf einer Kugeloberfläche oder einer euklidischen Ebene lebt. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, immer geradeaus zu laufen. Kommt man irgendwann wieder an seinen Ausgangspunkt zurück, ist man den Großkreis einer Kugeloberfläche entlang gelaufen. Aber wenn der Kugeldurchmesser sehr groß ist (aber nicht unendlich), dann kann dieser Versuch sehr lange dauern. Die einfachere Methode besteht darin. um sich herum einen Kreis zu ziehen (z. B. mittels einer gespannten Schnur, der den Kreisradius repräsentiert), dessen Umfang zu messen und das Verhältnis zwischen Umfang und Durchmesser auszurechnen. Kommt dabei exakt die Kreiszahl Pi heraus, dann lebt man auf einer euklidischen Ebene, wenn nicht, dann nicht. Alternativ hätte der „Zweidimensionale“ auch ein Dreieck konstruieren können, um danach dessen Innenwinkelsumme genauesten zu vermessen. Ist sie exakt gleich 180°, dann weiß er, dass er auf einer euklidischen Ebene lebt, wenn nicht, dann nicht.

Genaugenommen gibt es zwei „Sorten“ von gekrümmten Räumen. Die einen, bei ihnen ist die Innenwinkelsumme eines Dreiecks größer als 180°, nennt man „positiv gekrümmt“. Die Kugeloberfläche ist ein zweidimensionales Beispiel dafür. Die „Räume“, deren Dreiecks-Innenwinkelsumme dagegen kleiner als 180° ist, nennt man „negativ gekrümmt“. Die Oberfläche eines „Sattels“ ist ein Beispiel dafür, oder, ganz ideal, die einer sogenannten Pseudosphäre. Für jede dieser Art von Räumen lässt sich eine eigene Art von „Geometrie“ konstruieren. Diese „Geometrien“ nennt man „nichteuklidische Geometrien“. Die mathematischen Methoden zu ihrer detaillierten Beschreibung wurden Mitte des 19. Jahrhunderts von Bernhard Riemann in Göttingen entwickelt, weshalb man sie manchmal (soweit es sich um positiv gekrümmte Räume handelt) auch „Riemannsche Geometrie“ nennt. Auch der kosmische Raum kann durchaus „gekrümmt“ sein, auch wenn es hier um Einiges schwieriger ist, sich das irgendwie vorzustellen. 

Nach Riemann musste die Menschheit noch ungefähr ein halbes Jahrhundert warten, bis ein Wissenschaftler eine Begründung für die Idee eines „gekrümmten“ kosmischen Raumes gab. Und dieser Wissenschaftler war Albert Einstein (1879-1955). Er erkannte, dass die eigentliche Weltbühne genaugenommen sogar ein vierdimensionales Gebilde ist, welches er „Raumzeit“ nannte, da ein „Punkt“ in diesem Raum durch vier voneinander unabhängige Koordinaten – drei Raumkoordinaten und eine Zeitkoordinate – eindeutig bestimmt ist. Solch einen Punkt nennt man auch Ereignis. Und der kürzeste Weg zwischen zwei Ereignissen, quasi eine „Gerade“ in der Einstein’schen Geometrie der Raumzeit, ist der Weg, den ein Lichtstrahl oder ganz allgemein, ein sich kräftefrei bewegender materieller Körper (man denke an das Galileische Trägheitsprinzip) dazwischen zurücklegt. Dieser „Weg“ „zeichnet“ dabei die „Krümmung“ der Raumzeit nach. Und die Krümmung selbst wird durch Massen und Massenströme hervorgerufen, oder wie es Albert Einstein einmal selbst ausgedrückt hat: „Die Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich zu krümmen hat, und die Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich bewegen muss.“ Auch das lässt sich anhand eines einfachen zweidimensionalen Modells begreifbar machen. Stellen wir uns dazu die drei Raum-Dimensionen als auf ein zweidimensionales, in einen Rahmen gespanntes Gummituch reduziert vor. Nun legen wir eine Eisenkugel in die Mitte dieses Gummituchs. Der Effekt ist eine „Einbeulung“, die umso stärker ausfällt, je schwerer die Kugel ist. Wenn nun unser „Zweidimensionaler“ in unterschiedlichem Abstand von der Kugel jeweils einen Kreis mit gleichbleibendem Radius konstruiert und anschließend sorgfältig das Verhältnis von Umfang zu Durchmesser bestimmt, dann wird er eine immer größer werdende Abweichung zur Kreiszahl Pi feststellen, je mehr er sich der Kugel nähert. Diese „Abweichung“ kann man direkt als ein Maß für die Krümmung am Ort der Messung verwenden. Und nicht nur auf der Gummimatte ist das so. Auch die Sonne „krümmt“ die Raumzeit in der gleichen Weise, was dazu führt, dass ein Lichtstrahl eines Sterns, welcher nahe an ihr vorbei läuft, auf eine genau berechenbare Art und Weise abgelenkt wird. Und genau dieser Effekt lässt sich bei einer totalen Sonnenfinsternis beobachten, in dem man die dabei am Taghimmel sichtbar werdenden Sterne im Umkreis der verfinsterten Sonne fotografiert, um später ihre Positionen mit den Positionen der gleichen Sterne, die ein halbes Jahr später ohne Sonne am Nachthimmel fotografiert wurden, zu vergleichen. Die Abweichungen stimmen dabei völlig mit den Abweichungen überein, die sich rein rechnerisch aus der Einstein’schen Theorie ergeben. Was hier eine „lokale“ Krümmung ist, ist im „Großen“ eine globale Krümmung, deren Größe allein von der mittleren Massedichte im Weltall abhängt. So kann es sein, dass der gesamte kosmische Raum „flach“ ist (euklidisch), oder positiv gekrümmt und damit endlich, aber unbegrenzt, oder im globalen Maßstab vielleicht sogar eine negative Krümmung aufweist. Welche dieser drei Möglichkeiten zutrifft, lässt sich nur durch entsprechende Beobachtungen klären, womit wir wieder beim Olbersschen Paradoxon angelangt sind. 

Denn mit der globalen Krümmung des kosmischen Raums ist noch ein der Beobachtung zugänglicher und von der Einstein’schen Theorie vorhergesagter Effekt verbunden: Der kosmische Raum dehnt sich aus, er expandiert. Diese Erscheinung wurde 1921 erstmalig von dem russischen Mathematiker Alexander Alexandrowitsch Friedman (1888-1925) aus den Einstein’schen Gleichungen deduziert und kurze Zeit später von Edwin Hubble (1889-1953) durch Beobachtungen an weit entfernten Galaxien bestätigt. Die Schlussfolgerungen, die aus diesen Forschungen gezogen wurden, führten zur Theorie des „Urknalls“, der Theorie, die, vereinfacht gesagt, besagt, dass unser Kosmos so etwas wie einen „Anfang“ gehabt haben muss, wo Raum und Zeit und auch alle Materie aus einer „Singularität“ (d. h. einem „Punkt“ unendlich großer (Energie-) Dichte) entstanden sind. Dieses Bild, welches als erstes von dem belgischen Theologen und Physiker Georges Edouard Lemaitre (1894-1966) entworfen wurde, ist mittlerweile sehr präzise ausgearbeitet worden, krankt aber immer noch entscheidend daran, dass es noch niemanden gelungen ist, die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins (die eine Raumzeit-Singularität vorhersagt) mit der Quantentheorie (welche sicherlich eine Singularität verhindern kann) zu einer neuen Theorie, der Quantengravitation zu vereinigen. In unserem Zusammenhang ist nur von Interesse, dass dieser „Urknall“ vor endlich langer Zeit stattgefunden hat (und zwar ziemlich genau vor 13,798±0,037 Milliarden Jahren) und wegen der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit für uns als Beobachter einen „Horizont“ impliziert, der sich in endlicher Entfernung befindet (in ca. 46 Milliarden Lichtjahre Entfernung – größer als der aus der Lichtlaufzeit resultierenden Entfernung, da sich in den letzten ~13,8 Milliarden Jahren der Raum ja selbst ausgedehnt hat). Das bedeutet aber nicht, dass hinter diesem „Horizont“ nichts wäre. Auch hier gilt frei nach Udo Lindenberg „Hinterm Horizont geht’s weiter…“. Der Witz ist aber, wir schauen quasi in die falsche Richtung. Aufgrund der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit sehen wir nämlich immer Objekte, die in Bezug zu unserer Gegenwart in der Vergangenheit liegen. Den Mond sehen wir, wie er vor 1,28 Sekunden ausgesehen hat, die Sonne sehen wir, wie sie vor 8,32 Minuten ausgesehen hat, den Polarstern sehen wir, wie er vor etwa 430 Jahren ausgesehen hat und das Nebelfleckchen am Himmel mit Namen Andromedanebel sogar so, wie es vor 2,5 Millionen Jahren ausgesehen hat. Damit dürfte das Problem klar sein. Je weiter ein kosmisches Objekt von uns entfernt ist, desto weniger „weit“ ist es auch vom Urknall entfernt. Und irgendwann gelangt man in eine Entfernung, wo es noch keine Sterne gab, nur ein heißes Plasma, welches gerade soweit abgekühlt war, dass sich die Lichtteilchen (Photonen) von der übrigen Materie abgekoppelt haben. Das geschah rund 380 Tausend Jahre nach dem Urknall. Wenn wir also mit unseren Teleskopen in diese „Entfernung“ schauen, dann haben wir eine „Lichtwand“ vor uns, hinter der der „Urknall“ quasi verborgen ist. Also genau so etwas, wie Olbers unter anderen Prämissen vorhergesagt hat. Aber warum sieht man dann diese „Lichtwand“ nicht? Ganz einfach, weil sie für unsere Augen nicht sichtbar ist, und das liegt an der erwähnten Expansion des Raumes. Ehemals, als der Kosmos „durchsichtig“ wurde, war das Weltall noch klein und die Strahlung extrem kurzwellig. Sie entsprach der Strahlung, die ein extrem heißes Plasma von mehreren Millionen Grad ausstrahlen würde. Mit der Expansion des Raumes wurde der Abstand zwischen den Wellenbergen (d. h. die Lichtwellenlänge) immer größer (sie entspricht „klassisch“ einer Rotverschiebung, wird aber hier zu deren Abgrenzung „kosmologische Rotverschiebung“ genannt).

Heute beträgt die Wellenlänge der Strahlung, die am intensivsten ist, bereits ~0,2 cm. Sie entspricht dem Strahlungsmaximum eines sogenannten „Schwarzen Strahlers“ mit einer Temperatur um die 3 K, weshalb man diese omnipräsente kosmische Hintergrundstrahlung im deutschsprachigen Raum auch oft „3 Grad Kelvin – Strahlung“ nennt. Und da wir mit unseren Augen keine „Mikrowellen“ sehen können (ansonsten könnte man den Mikrowellenherd als Scheinwerfer verwenden), ist der Nachthimmel auch in dieser Hinsicht bis auf die Sterne ziemlich zappeduster. Selbst wenn unser Kosmos unendlich und unbegrenzt ist (d. h. seine Geometrie ist „euklidisch“), hatte er noch nicht die Zeit sich soweit auszudehnen, das wir in jede Richtung einen Stern sehen können, denn das „sichtbare Universum“ ist für uns aufgrund des Horizonts in 46 Milliarden Lichtjahre Entfernung prinzipiell begrenzt (man nennt diesen Raum „Hubble-Blase“), obwohl sich mit jeder Sekunde der Horizont ein Stück weiter entfernt und damit immer wieder neue Raumbereiche sichtbar werden. Die Auflösung des Olbersschen Paradoxon liegt in der Endlichkeit des sichtbaren Universums in der Zeit. 

Marsmenschen und der Krieg der Welten

In der Mitte des 19. Jahrhunderts stellte man sich den Mars noch als ein wahres Paradies für dessen Bewohner, den „Marsmenschen“ (die man sich damals noch nicht als „klein und grün“ vorgestellt hat), vor. Unter der konsequenten Anwendung des Ähnlichkeitsprinzips (Homologie-Relationen nennt man das in der Fachsprache) konnte so ein Redakteur einer Gazette aus dem Jahre 1859 („Die Fackel – Literaturblatt zur Förderung geistiger Freiheit“) wie selbstverständlich folgende Beschreibung über die „Marsbewohner“ seinen staunenden Lesern abliefern: 

„Wie schon erinnert, mag es auf Mars im Durchschnitt ebenso warm sein, als auf der Erde. Da aber das Sommerhalbjahr beinahe so lange währt, als auf der Erde ein ganzes Jahr, so muss im Sommer die Hitze, im Winter die Kälte weit höher steigen als bei uns. Man wird von manchen Fruchtarten in jedem Sommer zwei oder drei Ernten halten. Edle Weine und Südfrüchte kommen in dem langen Sommer zu einer Reife, ihre Weine bekommen ein Feuer, einen würzigen Geruch und Wohlgeschmack, von dem wir uns keinen Begriff machen können. (…) 

Da jeder Körper zehnmal leichter ist als auf der Erde, so muss es den Marsbewohnern sehr leicht werden, sich selbst und große Körpermassen von einem Orte zum anderen zu bewegen. Vielleicht bedürfen sie dazu nicht einmal der Chausseen, ihre Hauptheerstraße ist die Luft. Ihre Luftballone tragen 10mal mehr als die unsrigen, sie bedürfen, um sie zu füllen, nicht eine so feine, kostspielige Luftart wie wir. Wie wir in der ersten Sekunde durch 15, so fallen sie nur durch 6 Fuß; ein Sturz aus beträchtlicher Höhe bringt daher Wenigen Gefahr. Die Kunst in der Luft zu schiffen, lag ihnen näher, ward, früher erfunden, eifriger und mit lohnenderem Erfolg ausgebildet. Handel und Wandel sind in der schönsten Blüthe; man ist lebhaft beschäftigt, die Produkte der verschiedenen warmen und kalten Länder gegeneinander auszutauschen. Fahrten in fremde Marstheile, Reise um den ganzen Mars, welche 5mal kleiner ist als die unsrige, sind etwas sehr Gewöhnliches. Es kennt jeder Marsbewohner alle Städte und Merkwürdigkeiten seines Planeten aus eigener Anschauung. Dagegen besitzt man vielleicht auf dem Mars, weil die mündliche Mitteilung so leicht ist, weil alle Geschäfte durch persönliche Zusammenkünfte abgemacht werden können, weder der Schreibe- noch der Buchmacherkunst. (…) 

Da Mars 5mal kleiner ist als die Erde, so sind muthmaßlich auch seine Menschen 5mal kleiner, Zwerge nach unsern Begriffen, aber wohlgebildete, wohl gar mit Flügeln versehene, um sich ohne weiteres in die Luft erheben zu können“. 

Ein knappes halbes Jahrhundert später glaubten einige Astronomen große Bewässerungsanlagen auf diesem schon von der Farbe her als überwiegend trocken erscheinenden Planeten entdeckt zu haben, die ominösen „Marskanäle“. So ist es sicherlich nicht verwunderlich, dass sich zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts ein Großteil des Bildungsbürgertums Europas und Nordamerikas weitgehend darüber einig war, dass es auf dem Mars eine hochentwickelte Zivilisation gibt, die mit akuter Wasserknappheit zu kämpfen hat und deshalb riesige Kanäle bauen mussten, um das Schmelzwasser der Pole in die warmen Äquatorregionen zu leiten. In manchen Kreisen debattierte man ernsthaft die Frage, wie man mit ihnen Verbindung aufnehmen und mit ihnen kommunizieren könnte. Die Vorschläge – oftmals von durchaus seriösen Wissenschaftlern vorgetragen – erscheinen uns heute nur noch als mehr oder weniger kurios. So gab es ernsthaft den Vorschlag, dass man in Sibirien große Kahlschläge in Form von Buchstaben und Wörtern anlegen sollte, die von den „Marsastronomen“ mit ihren Fernrohren zu erkennen wären. 

Deshalb ist es auch nicht weiter verwunderlich, dass ein spezielles Medienereignis (wie man heute sagen würde) am Halloween-Tag des Jahres 1938 einen nicht geplanten Verlauf nahm (auch wenn man die Dramatik in Folge später stark übertrieb). An diesem Tag wurde das Hörspiel „Invasion vom Mars“ nach Herbert George Wells (1866-1946) Roman „Krieg der Welten“ über den amerikanischen Rundfunksender CBS ausgestrahlt. Es wurde von dem berühmten Schauspieler und Regisseur Orson Welles (1915-1985, „Citizen Kane“) derart realistisch arrangiert, dass in den Oststaaten eine Massenpanik unter den Zuhörern ausbrach. Was war geschehen? Alle Leute, die sich gerade die Comedy-Sendung „The Chase and Sanborn Hour“ anhörten, wurden von einer Unterbrechung mit einer wichtigen Durchsage überrascht. Zuerst meldet ein Astronom riesige Gasexplosionen auf dem Mars, dann etwas später ein Radiosprecher, dass bei Grovers Mill bei New Jersey ein riesiges flammendes Objekt niedergegangen sei. Dann folgt wieder Musik bis sich ein Reporter vor Ort meldet: „Großer Gott – etwas kriecht aus dem Schatten wie eine graue Schlange. Das sieht wie Tentakel aus. Der Körper ist groß wie ein Bär und glänzt wie nasses Leder. Aber das Gesicht – es – es ist unbeschreiblich!“ Daraufhin begannen die Telefone in den meisten Polizeistationen der amerikanischen Ostküste zu klingeln und besorgte Mitbürger wollten von den genauso überraschten Beamten wissen, was denn nun Sache sei und wie man sich verhalten soll. Vereinzelt soll es in einigen Orten sogar zu Panikattacken gekommen sein, was aber nur für wenige Fälle verbürgt ist. Denn kaum jemand wusste, dass es sich um gut geplante Einstreuungen in das laufende Programm handelte – nur diejenigen, die ganz am Anfang den kurzen Hinweis darauf bewusst erfasst hatten…

Das eigentlich raffinierte war jedoch, das Orson Welles die fiktiven Nachrichteneinblendungen just dann in das CBS-Programm platzierte, als beim Konkurrenzsender NBC in eine Werbepause geschaltet wurde. Alle die jetzt unter Umgehung dieser Werbepause quasi zu CBS „zappten“ (wie wir heute sagen würden), fanden sich auf einmal in einem gänzlich anderen Film wieder, in dem viele nicht ohne Weiteres Wahrheit von Fiktion unterscheiden konnten. Und das Hörspiel traf auf durchaus fruchtbaren Boden, denn es lag Krieg in der Luft. Presse und Radio bereiteten die Bevölkerung schon seit Monaten mit entsprechend beunruhigenden Meldungen aus Fernost (Japan und China) und Europa (Deutschland) darauf vor. Da hielt es natürlich eine ganze Anzahl von Bürgern durchaus für möglich, dass Aliens vom Mars mit Lichtblitzen und Giftgasangriffen Amerika heimsuchen und man sich und seine Familie irgendwie in Sicherheit bringen muss. 

Was sich Georges Wells in seiner Phantasie ausgemalt hat, kann man sich heute im Kino oder auf dem Fernseher bzw. Computermonitor anschauen, denn Hollywood hat natürlich dieses Stück „Weltliteratur“ gleich mehrfach verfilmt. Dabei soll hier nur die durch die Vielzahl von Spezialeffekten überzeugende Fassung von 2005, die unter der Regie von Steve Spielberg entstand und in der Gegenwart spielt, erwähnt werden. 

Dass es auf dem Mars keine „Marsmenschen“ geben kann, war den Astronomen in den 1930er Jahren durchaus klar, denn man wusste mittlerweile, dass der Mars nur eine dünne, nicht atembare Atmosphäre hat, die hauptsächlich aus Kohlendioxid besteht und es dort auch ziemlich kalt ist. Aber die Existenz von mikrobiellem Leben hält man aber auch heute noch für durchaus möglich.

Als man in den 1970er Jahren endlich technologisch soweit war, Landesonden auf dem roten Planeten abzusetzen (Viking 1 und Viking 2), bestand eine ihrer Aufgaben darin, auf der Marsoberfläche nach etwaigen Lebensspuren zu fahnden. Dazu wurden ein paar äußerst raffinierte Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse sich jedoch nur schwer interpretieren ließen. Seitdem sind nun schon wieder 40 Jahre vergangen und unser Wissen über dem Mars ist seitdem quasi explodiert. Aber Hinweise auf „Leben“ konnten immer noch nicht gefunden werden. Dabei gab es im Jahre 1996 kurzzeitig einen Hauch von Hoffnung, diesbezüglich doch fündig geworden zu sein. Der damalige US-Präsident Bill Clinton ließ es sich nicht nehmen, die Welt in einer speziellen Pressekonferenz darüber in Kenntnis zu setzen, dass die NASA bei der Analyse eines in der Antarktis gefundenen Meteoriten, der eindeutig vom Mars stammt, mikroskopische kleine Strukturen gefunden hat, die versteinerten bakterienartigen Lebensformen täuschend ähneln. Kurz gesagt, diese Interpretation konnte in der Folge nicht aufrecht erhalten werden, obwohl die länglichen Gebilde, die man auf einer elektronenmikroskopischen Aufnahme einer Bruchfläche deutlich erkennen kann, wirklich wie zu klein geratene mineralisierte Bakterienzellen aussehen. Mittlerweile glauben die Wissenschaftler jedoch, diese Strukturen rein anorganisch erklären zu können.

Lebensgeschichte eines Sterns mit 8 Sonnenmassen

Damit ein Stern in seinem Leben überhaupt bis zur Fusion von Eisen kommt (das letzte Element, welches in Sternen durch exotherme Fusionsreaktionen hergestellt werden kann), muss er mindestens eine Ausgangsmasse von etwa 8 Sonnenmassen haben. Ohne jetzt groß in die Einzelheiten einzugehen (die aber höchstinteressant sind!), sieht das Leben eines solchen massereichen Sterns in etwa folgendermaßen aus: Nachdem er aus kosmischen Gas (99% H und He) und Staub entstanden ist und er im Zustand der Kontraktion in seinem Kernbereich die Zündtemperatur für das „Wasserstoffbrennen“ erreicht hat (ca. 20 Millionen Grad), wird er die nächste Million Jahre gemächlich Wasserstoff in Helium umwandeln. Dieser Zustand kennzeichnet einen sogenannten Hauptreihenstern. Während dieser Brennphase sammelt sich das spezifisch schwerere Helium im Sternkern an, bis irgendwann der Wasserstoff im Kernbereich soweit aufgebraucht ist, dass der Energiebedarf zur Aufrechterhaltung des hydrostatischen Gleichgewichts nicht mehr durch Wasserstoffbrennen gedeckt werden kann. Und genau in diesem Moment wird der Sternkern instabil und kollabiert. Dabei wird Energie frei und die Temperatur des Kerns erhöht sich solange, bis mit ~200 Millionen Grad die Zündtemperatur für das Heliumbrennen erreicht und der Kernkollaps beendet wird. 

Mit der Fusion von Helium zu Kohlenstoff und Sauerstoff (Triple-Alpha-Prozess, weil daran drei Heliumkerne beteiligt sind) kann der Stern die nächsten 10.000 Jahre gut auskommen. Die „Asche“, d. h. der entstandene Kohlenstoff und Sauerstoff, sammelt sich wiederum im Kern an. Das geht solange gut, wie es genügend Helium zum „verbrennen“ gibt. Aber auch dann ist irgendwann einmal Schluss und das Spiel mit Kernkontraktion, Erhöhung der Kerntemperatur bis die nächste Brennphase zündet, wiederholt sich. Dadurch, dass bei jeder neuen Brennphase der Energieausstoß immer geringer wird (was ein Physiker leicht erklären kann), wird die Dauer dieser primären Brennphasen auch immer kürzer. Und so folgt nach dem Heliumbrennen bei 800 Millionen Grad Kerntemperatur das Kohlenstoffbrennen (ca. 600 Jahre), dann bei 1,4 Milliarden Grad für ein Jahr das Neonbrennen, dann für 6 Monate bei einer Kerntemperatur von 2 Milliarden Grad das Sauerstoffbrennen, dann für einen Tag bei 3,5 Milliarden Grad das Siliziumbrennen (wobei Eisen entsteht) und dann macht es flupp (~1 Sekunde) und der Eisenkern kollabiert zu einem Neutronenstern mit einem Durchmesser von etwa 20 Kilometer – und die Außenhülle des Stern fliegt explosionsartig weg: Wir beobachten eine hydrodynamische Supernova. Und das ist die (wahrscheinliche) Geburtssekunde des Goldes, welches früher einmal zur Wertstützung einer Papierwährung unumgänglich war...

Der Kern eines stabilen Goldatoms enthält 78 Protonen und 118 Neutronen. Wenn der Eisenkern bei einer Supernova kollabiert, treten kernphysikalische Prozesse auf, die zu einem riesigen Fluss von Neutronen führen. Da Neutronen keine elektrische Ladung besitzen, können sie sich beispielsweise an vorhandene Eisenkerne anlagern, die dadurch immer schwerer werden, d. h. es entstehen immer schwerere Isotope dieses Metalls und das innerhalb kürzester Zeit. Diese Isotope sind nicht stabil, sondern radioaktiv. Das bedeutet, dass einzelne Neutronen zu Protonen und Elektronen und Anti-Elektronenneutrinos zerfallen (man sagt, das Neutron erleidet einen Beta-Minus-Zerfall), was wiederum dazu führt, dass das Isotop jeweils auf der Elementeleiter (Periodensystem) eine Stufe nach oben wandert. Erst wenn auf diese Weise ein Kern 78 Protonen und 118 Neutronen in sich vereinigt, ist ein stabiles Goldatom (wenn auch noch ohne Elektronenhülle) entstanden. Natürlich bilden sich auch andere schwere Elemente auf diese Art und Weise, so z. B. Uran mit einer Protonenzahl von 92 und selbst Plutonium mit einer Protonenzahl von 94. Plutonium ist übrigens das letzte Element im Periodensystem, welches auf der Erde noch natürlich vorkommt. Alle Elemente im Periodensystem mit einer noch größeren Ordnungszahl wurden künstlich erzeugt. Ihre Lebensdauer (Halbwertszeit) ist aufgrund ihrer Radioaktivität jedoch ziemlich begrenzt. Da es nun mal Menschen mit Goldzähnen gibt, es Leute gibt, die es sich leisten können, von goldenen Tellerchen mit goldenen Messerchen und Gäbelchen zu essen und, nicht zu vergessen, auch weil es „Kernkraftgegner“ gibt, die aus nicht immer rationalen Gründen etwas gegen die „Kernkraft“ haben (Uran), muss man zwingend davon ausgehen, dass an der Entstehung der Erde vor mehr als 4,56 Milliarden Jahren irgendwie eine Supernova beteiligt gewesen sein muss. Und allein aus dieser Tatsache lässt sich einiges über die Frühgeschichte der Sonne und der Planeten herausbekommen. 

Die grundlegenden Informationen in diesem Zusammenhang sind Folgende: Die Supernova muss ursprünglich ein Stern mit mehr als 25 Sonnenmassen gewesen sein, deren Leben höchstens fünf Millionen Jahre währte. Solche massereichen Sterne bilden sich nur sehr selten. Ein aus einer interstellaren Gas- und Staubwolke entstandener Sternhaufen (die Wolke fragmentiert bei ihrem Kollaps in viele Einzelwolken, aus denen dann bei weiterer Kontraktion Protosterne entstehen) muss schon ungefähr 2000 Mitglieder haben, damit unter ihnen wenigstens ein Objekt dieses Kalibers dabei ist. Da die Entstehung der Sonne und ihrer Planeten auch nur wenige Millionen Jahre in Anspruch nahm, muss dieser Stern noch in der Bildungsphase der Protosonne in nicht allzu großer Entfernung (man schätzt ~1 Lichtjahr) seinen Kernkollaps erlitten und ein Teil seines Explosionsschutts in die Materie, aus der dann später die Planeten entstehen sollten, penetriert haben. Und da war zu unserem Glück auch etwas Gold und Uran dabei. Es kann sogar sein – und es gibt ernsthafte Gründe dafür – dass es uns ohne diese Supernova gar nicht geben würde. Denn die radioaktiven Elemente, die von ihr stammen, helfen durch ihren Zerfall mit, den Erdmantel plastisch zu halten. Aber ohne konvektiven Erdmantel keine Plattentektonik, ohne Plattentektonik keine Kontinente, ohne Kontinente keine Langzeit-Klimastabilisierung. Und ohne dem alles, keine Menschen. Und ohne Menschen? Ja, was dann wäre, wissen wir auch nicht, denn wenn jemand „nicht ist“, dann kann er auch nicht fragen, warum… 

Gogol, gogolplex, perplex - das Universum der Doppelgänger...

Haben Sie gewusst, dass sich der Begriff „Google“ von dem Wort „googol“, einer speziellen Wortschöpfung für eine Zahl mit 100 Nullen (d. h. 10^100), ableitet? Damit lassen sich übrigens leicht weitere Potenzen bilden, z. B. 10^(10^100) - das Gogolplex, oder 10^(10^(10^100)) das Gogolplexplex. 

Übrigens, es gibt keinen einzigen Computer auf der Welt, der in der Lage wäre, irgendeine Zahl, die im Gogolplex-Bereich liegt, überhaupt Ziffer für Ziffer abzuspeichern (und es wird auch niemals einen geben). Und noch etwas, im "überschaubaren Kosmos" gibt es lediglich etwa 10^80 Protonen, d. h. eine Anzahl, die winzig klein ist gegenüber einem Gogol oder erst recht einem Gogolplex…

Doch was bedeutet „überschaubares Universum“? Gibt es Teile des Universums, die von uns nicht „überschaubar“ sind? Und hier wird es kompliziert, da der kosmische Raum sich über drei räumliche und eine zeitliche Dimension erstreckt. Die „Raumzeit“ kann nämlich „gekrümmt“ sein ähnlich wie eine zweidimensionale Fläche „gekrümmt“ sein kann. Ich will das hier nicht näher ausführen, obwohl es mir bei diesem Thema in den Fingern juckt. Nur so viel: Wie Albert Einstein 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie zeigen konnte, sind die „geradesten“ Linien, die zwei „Ereignisse“ (gegeben durch drei Raumkoordinaten und einen Zeitpunkt) miteinander verbinden können, „Geodäten“, entlang der man sich kräftefrei bewegen kann. Lichtstrahlen folgen im Vakuum beispielsweise einem solchen Weg. So ist ein statischer Raum denkbar, der ähnlich gekrümmt ist wie die Oberfläche einer Kugel. In solch einem Raum positiver Krümmung würde nach endlicher Zeit ein geradeaus ausgesandter Lichtstrahl nach einer „Umrundung“ an seinen Ausgangspunkt (quasi rücklings!) zurückkehren. Solch ein Raum wäre endlich (wie die endliche Oberfläche einer Kugel), aber ohne Grenzen (wie die Oberfläche einer Kugel). Es gibt aber auch Räume mit negativer Krümmung. Sie sind der Oberfläche einer Pseudosphäre analog (ein Ausschnitt sieht so etwa aus wie eine Sattelfläche) und genauso wie der flache „euklidische Raum“ unserer Erfahrung unendlich ausgedehnt. 

Doch was „krümmt“ nun diesen kosmischen Raum (genauer die Raumzeit)? Es ist die im Raum verteilte Energie in Form von Masse (Sterne, Galaxien) und Impuls. Die Frage nach der Geometrie des kosmischen Raumes ist deshalb im Wesentlichen eine Frage nach der Menge und Verteilung der Galaxien, die in ihm enthalten sind und muss deshalb durch Beobachtungen bestimmt werden. 

Der kosmische Raum hat aber noch eine unerwartete Eigenschaft, er expandiert nämlich. Man erkennt das daran, dass sich alle Galaxien von uns entfernen, und zwar umso schneller, je weiter sie von uns entfernt sind. Das ist ähnlich wie mit gleichmäßig verteilten Rosinen im Hefeteig eines Rosinenkuchens, der langsam „aufgeht“. Oder als zweidimensionales Analogon: Man male auf einem Luftballon gleichmäßig Punkte, welche Galaxien darstellen sollen. Bläst man ihn nun auf und stellt man sich als „Beobachter“ auf einem dieser Punkte vor, dann kann man auch hier beobachten, wie sich alle anderen entfernen - und zwar umso schneller, je weiter sie vom Punkt des Beobachters entfernt sind. Dieser Effekt, wieder auf den Kosmos übertragen, wird durch eine einfache Gesetzmäßigkeit beschrieben, die man das „Hubble-Gesetz“ nennt und welches eine Verbindung der Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien (die man anhand der Rotverschiebung ihrer Spektrallinien messen kann) und ihrer Entfernung herstellt. 

Er impliziert, dass in der Vergangenheit einmal alle Entfernungen zwischen den Galaxien geringer waren als heute und dass man diese „Expansion“ - rückwärts betrachtet - bis zu einem singulären Punkt zurückverfolgen kann, den man gewöhnlich als „Urknall“ oder Big Bang bezeichnet. Mittlerweile weiß man sogar, dass dieser „Big Bang“ vor ziemlich genau 13,798 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Und genau dieser Umstand begrenzt für uns den Kosmos auf einen quasi endlichen Bereich, der durch einen Horizont begrenzt wird und der sich mit der Zeit immer weiter weg von uns verschiebt. Der Grund liegt in der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit, was bedeutet, dass ein Lichtstrahl in 13,798 Milliarden Jahren auch nur eine Strecke von 13,798 Milliarden Lichtjahren durchlaufen kann. Aber in Wirklichkeit ist der „Horizont“ aufgrund der Expansion des Weltalls noch um einiges größer (es hat sich ja während der Lichtlaufzeit weiter ausgedehnt). Man schätzt den Durchmesser dieses als „Hubble-Blase“ bezeichneten für uns zumindest prinzipiell überschaubaren Raumbereichs auf ca. 93 Milliarden Lichtjahre. Das ist das für uns „sichtbare Universum“. Und da es keinen „Mittelpunkt“ des Weltalls gibt, hat jede Galaxie ihre eigene Hubble-Blase. Auf diese Weise kann das Weltall wirklich unendlich groß sein und es ist eine gute Arbeitshypothese anzunehmen, dass es darin auch überall ähnlich aussieht (bei gleichem Weltalter sind ja auch alle Galaxien zeitlich gesehen gleichweit vom Urknall entfernt) - und zwar auch außerhalb unserer eigenen Hubble-Blase. In unserem zwar „endlichen“, aber unbegrenzten Luftballonmodell bedeutet das, dass seine Oberfläche relativ gleichmäßig mit „Galaxienpunkten“ belegt ist und es um jede Galaxie herum eine kreisförmige „Lichtfront“ gibt, welche den jeweiligen Horizont angibt und die sich mit Lichtgeschwindigkeit immer weiter in den kosmischen Raum hineinarbeitet und auf diese Weise immer mehr Galaxienpunkte in ihren Gesichtskreis geraten. Bläst man jetzt den Luftballon auf, dann lässt sich damit die kosmische Expansion simulieren und man erkennt, dass die Entfernung zum Horizont schneller anwächst als sich rein aus der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit ergibt. Für die weitere Argumentation ist es hier aber nur wichtig zu verstehen, dass es hinter dem Horizont weiter geht - vielleicht sogar bis ins Unendliche.

Und das führt zu einigen interessanten Konsequenzen, die darin begründet liegen, dass jeder Teil des Raumes (z. B. der Inhalt unserer Hubble-Blase) selbst endlich und jede endliche Zahl bekanntlich winzig klein gegenüber „Unendlich“ ist (und zwar unabhängig von ihrer Größe - selbst ein Gogolplexplexplexplexplex ist << Unendlich). Physikalisch gesprochen, lässt sich weiterhin jedes endliche Volumen durch die Anzahl der darin realisierbaren Quantenzustände beschreiben. Diese Zahl ist riesengroß, da man dabei auch alle möglichen Kombinationen berücksichtigen muss. Aber sie ist endlich und damit immer noch winzig klein gegenüber Unendlich. Um das etwas anschaulicher zu machen, stellen Sie sich ein riesiges Schachbrett vor, welches aus lückenlos aneinandergereihten 8x8 –Spielfeldern besteht. Auf jedem dieser Spielfelder sind 0 bis 32 Spielfiguren völlig zufällig (quasi ausgewürfelt) angeordnet. Nun können Sie sich die Frage stellen, wie weit muss man sich maximal von einem zufällig ausgewählten 64-Felder-Spielfeld wegbewegen, bis ich zu 100% sicher wieder ein 64-Felder-Spielfeld mit der identischen Figurenanordnung finde (Übungsaufgabe). Und was für das Schachbrett mit seinen Figuren gilt, gilt auch für die Quantenzustände in einem Volumen von der Größe der Hubble-Blase, welches „unser“ Universum darstellt. Also wo findet man im unendlichen (oder genügend großen, sollte es endlich sein) Kosmos wieder einen Raumbereich von der Größe einer Hubble-Blase, dessen Quantenzustand mit dem unsrigen ununterscheidbar ist? Eine entsprechende Überschlagsrechnung verrät es uns: etwas mehr als ein Gogolplex Meter (~10^(10^120 ) Meter). Und was bedeutet das? Es bedeutet, dass in dieser Entfernung eine Welt zu erwarten ist, die sich in nichts von unserer unterscheidet. Dort sitzt ein Alter Ego von Ihnen, der mit Ihnen, lieber Leser vollkommen identisch ist, mit der gleichen Lebensgeschichte und den gleichen Erinnerungen, und liest diese Zeilen aus einem diesem Buch völlig identischem Buch. Verrückt, nicht wahr? Und in einem unendlich großen Universum mit den genannten Eigenschaften gibt es wieder unendlich viele Doppelgänger von uns allen – und nicht nur völlig identische, sondern auch in allen denkbaren Abweichungen. 

Die Wiederholung unserer Hubble-Blase ist natürlich eine Maximalforderung. Einen „Doppelgänger“ sollte man schon um einiges näher finden. So sollte sich ein Raumbereich mit einem Radius von 100 Lichtjahren in identischer Ausführung bereits in ca. 10^(10^92 ) Meter finden lassen. Und da ein Mensch noch um einiges kleiner ist, kann man einen perfekten Doppelgänger von ihm bereits in schlappen 10^(10^28 ) Meter Entfernung erwarten. Aber das ist immer noch weit, weit hinter dem Horizont… 

Das Universum besteht nach diesen Überlegungen aus unendlich vielen „Hubble-Blasen“, die sich überschneiden und in ihrer Gesamtheit ein unendliches (oder sehr großes, wenn endliches) Multiversum bilden. Der Physiker Max Tegmark, der sich mit diesem Gegenstand ausführlich auseinandergesetzt hat, spricht in diesem Fall von einem Multiversum der Ebene 1. 

Denn die Wissenschaft hat in dieser Beziehung noch einiges mehr zu bieten. So ist es weiterhin ein Rätsel, wie es überhaupt zu so etwas wie einen „Urknall“ kommen konnte. Eine wichtige Entdeckung war in diesem Zusammenhang, dass es kurz nach dem ominösen Zeitpunkt Null (so ungefähr zwischen 10^(-35) und 10^(-30) Sekunden nach dem eigentlichen Urknall) zu einem enormen „Aufblähen“ des Raumes gekommen ist, den man „Inflation“ nennt. Sie beantwortet die Frage, warum das Universum so groß, so gleichförmig und so flach ist. Eine rapide Raumdehnung vermag nämlich diese und andere, ansonsten rätselhafte Eigenschaften auf einen Streich zu erklären. Da sie auch durch beobachtbare Implikationen gestützt wird, ist die kosmische Inflationsphase mittlerweile ein fester Bestandteil einer jeden Urknalltheorie. Man erkauft sich das aber – wenn man weiter denkt – durch andere Absonderlichkeiten. So wird beispielsweise in der Theorie der „ewigen chaotischen Inflation“ die Existenz und fortwährende Bildung neuer, parallel nebeneinander existierender Universen der Ebene 1 postuliert. In jedem dieser Universen – manche bestehen ewig, viele andere kollabieren sofort wieder – gelten andere Werte für die grundlegenden Naturkonstanten und nur in denen, wo sie zufällig Werte annehmen, die die Entstehung lebender Materie erlaubt, gibt es auch Beobachter. Und auch hier gibt es dann Universen (diesmal „Universen“ die Multiversen der Ebene 2 bilden), die unserem ähneln oder weitgehend gleichen und in denen es auch wiederum Doppelgänger von uns gibt. Und diese Universen, welche die Theorie vorhersagt, sind aus dem inneren unseres Universums heraus prinzipiell nicht einmal mehr nachweisbar. Noch verrückter, nicht wahr? Immer dort, wo empirische Daten fehlen oder nur schwer zu beschaffen sind oder man noch nicht einmal weiß, nach was man forschen soll, gedeihen verrückte Ideen und Theorien. Die Frage ist nur – und Niels Bohr stellte sie einst im Zusammenhang mit der Quantentheorie - ob die Idee oder Theorie wirklich auch verrückt genug ist, um wahr zu sein. Letztendlich entscheidet aber die Beobachtung oder das Experiment, ob eine Naturbeschreibung richtig oder falsch ist und nicht die Meinung eines Wissenschaftlers...

Sternendeuter, Horoskope und naturwissenschaftliche Bildung

Einer der größten Wissenschaftler deutscher Zunge (wenn nicht der Größte überhaup!), Johannes Kepler (1571-1630), musste von der Erstellung von Horoskopen leben, ohne von ihnen gänzlich überzeugt zu sein. Von ihm stammt das Zitat

„Es ist wol diese Astrologia ein närrisches Töchterlein … aber lieber Gott | wo wolt jhr Mutter die hochvernünftige Astronomia bleiben | wenn sie diese jhre närrische Tochter nur hette | ist doch die Welt viel närrischer | und so närrisch | daß deroselben zu jhrer selbst frommen diese alte verständige Mutter die Astronomia durch der Tochter Narrentaydung | … | nue eyngeschwatzt und eyngelogen werden muß | Auch sind sonsten der mathematicorum salaria so seltsam und gering, daß die Mutter gewißlich Hunger leiden müßte, wenn die Tochter nichts erwürbe.“

Man findet es in seiner 1610 in Frankfurt/M. erschienen Schrift „Tertius interveniens, das ist die Warnung an etliche Theologos, Medicos und Philosophis, sonderlich D. Philippum Feselium, daß sie bey billicher Verwerffung der Sternguckerischen Aberglauben / nicht das Kindt mit dem Badt außschütten / und hiermit ihrer Profession vnwissendt zuwiderhandlen“, wer es einmal im Original nachlesen möchte.

Als „Astrologie“ wird gemeinhin die esoterische Vorstellung bezeichnet, dass sich aus den Positionen von Himmelskörpern (insbesondere der Planeten) zur Geburt eines Menschen dessen Schicksalswege und Persönlichkeitsmerkmale vorhersagen lassen. Diese „volkstümliche“ und auch heute noch sehr populäre Lehre ist in ihrer „ernsten“ Form viel komplexer als man gemeinhin anzunehmen gedenkt, wenn man in Boulevardblätter Horoskope liest. Sie selbst hat eine sehr lange Geschichte und Tradition hinter sich, die bis zu den Babylonier und Assyrer zurückreicht und die erst zu Beginn der Neuzeit (zumindest in der alten Welt) von der Astronomie methodisch getrennt wurde. Die meisten Astronomen des ausgehenden Mittelalters und der beginnenden Neuzeit waren deshalb auch oft anerkannte Astrologen, denn in der damaligen akademischen Ausbildung wurde Astronomie und Astrologie fast immer zusammen gelehrt. Die erste große Kodifizierung der Astrologie mit dem Versuch, physikalische Wirkübertragungsmechanismen auf das Schicksal der Menschen zu postulieren, stammt von Claudius Ptolemäus (um 100 bis 175). In seinem Werk „Tetrabiblos“ (die „vier Bücher“, um 150 n. Chr.) gelingt ihm eine Zusammenfassung der hellenistischen astrologischen Vorstellungen, die er mit der Vorhersage astronomischer Erscheinungen wie spezielle Planetenkonstellationen, Mondphasen, Verfinsterungen etc. verbindet. Dabei wird ihm, wie auch vielen seiner Nachfolger, die fatalistische Natur der Astrologie durchaus klar, die in ihrer konsequenten Form per se jede freie Willensentscheidung verneint. Dieses Dilemma der klassischen Astrologie konnte in der Folge nur abgeschwächt, aber nie vollständig gelöst werden und stellt in der aufgeklärten Welt auch heute noch das wichtigste Gegenargument für eine astrologische Weltsicht dar (Warum unterscheiden sich die Lebenswege und Charaktere von Zwillingen, die unter den gleichen „Sternzeichen“ geboren wurden, oft fundamental?).

Erste Zweifel an der erklärten Funktionsweise der Astrologie kamen in der Renaissance auf, als z. B. Giovanni Pico Della Mirandola (1463-1494) seine in seinen „Disputationes adversus astrologiam“ beschriebenen statistischen Untersuchungen über astrologische Wettervorhersagen versus „wahres Wetter“ veröffentlichte. Auch Johannes Kepler, der, wie bereits erwähnt, einen nicht unbeträchtlichen Teil seines Lebensunterhaltes mit der Erstellung von Horoskopen bestreiten musste, hatte gewisse Zweifel an der schicksalhaften Bedeutung der Sterne, ohne dass er die Astrologie jedoch gleich völlig ablehnte. Die stärksten Gegenargumente in Bezug auf die Astrologie ergeben sich nicht aus ihrer mangelnden empirischen Bestätigung, sondern aus ihrer inneren logischen Struktur und sind damit erkenntnistheoretischer Natur. Die Frage ist, ob es überhaupt logisch möglich ist, die Astrologie mit einem Inhalt zu versehen, der die von ihr behauptete Einflussnahme der Gestirne auf die menschlichen Charaktereigenschaften in eine nachvollziehbare und überprüfbare Wirkungskette überführt, auf die wiederum die von Karl Popper (1902-1994) formulierten Anforderungen an eine wissenschaftliche Theorie angewendet werden kann. Diese Frage muss vom wissenschaftlichen Standpunkt aus verneint werden. Das erkennt man bereits daran, dass die Astrologie mit Symbolen und Beziehungen zwischen diesen Symbolen arbeitet, die sich, wenn man sie genauer betrachtet, als künstliche Konventionen erweisen und wie Dogmen behandelt werden (so wie die Tierkreiszeichen). Es ist beispielsweise hochgradig unverständlich, warum gerade die Sternbilder des Tierkreises im Zusammenspiel mit den Planeten, mit Sonne und Mond, die sich gerade darin aufhalten, irgendwelche Wirkungen auf Menschen ausüben sollen und andere auffällige Objekte wie z. B. das Sternbild Orion oder der Stern Sirius, nicht. Es ist deshalb richtig, trotz der wissenschaftlichen Methodologie, der sich Astrologen beim Erstellen von Horoskopen bedienen, hier von einer Pseudowissenschaft (oder „Cargo-Kult-Wissenschaft“) zu sprechen. Diese Einschätzung ist schon deshalb geboten, weil die Astrologie immanent resistent gegen intersubjektive Überprüfbarkeit ist und auch jegliche Offenheit gegenüber empirische Falsifizierbarkeit vermissen lässt. Das große Interesse an der Astrologie in der heutigen Zeit lässt sich leicht aus dem Wunsch jedes Menschen erklären, etwas über sein künftiges Schicksal zu erfahren. Die Antwort der Wissenschaft ist dagegen eher nüchtern. Komplexe Systeme, wie die menschliche Gesellschaft, in die jedes Individuum eingebunden ist, sind prinzipiell nicht prognostizierbar. Hier bietet die Astrologie eine scheinbare Lebenshilfe, was man durchaus nicht immer kritisch sehen muss. Dort wo naturwissenschaftliche Bildung unterentwickelt ist oder fehlt, was für den größten Teil der Menschheit zutrifft, wird man sich im Alltagsleben natürlich mehr von esoterischen als von naturwissenschaftlichen Gesichtspunkten leiten lassen. Und dafür ist ein Horoskop ein ideales Mittel. Dessen Beliebtheit unter den mehr schlichten Gemütern unter uns rührt u. a. davon her, dass zumindest die Horoskope, die man in diversen Boulevardblätter wöchentlich lesen kann (und die mit „echten“ Horoskopen weiß Gott nichts zu tun haben!), scheinbar eine hohe Trefferquote aufweisen. Das ist auch nicht verwunderlich, denn ihre von professionellen (man lese „geldgeilen“) Astrologen am Fließband produzierten Aussagen sind sehr allgemein gehalten, unterschwellig positiv besetzt und bewirken eine Art Wiedererkennungseffekt. Dem liegt die psychologisch verständliche Neigung zugrunde, vage und allgemeine und unterschwellig positiv besetzte Aussagen über sich selbst als zutreffend zu empfinden.

Ein paar Gedanken über das ominöse "Nichts"...

Soweit wir uns aber auch der Antwort auf die Frage, was genau während des Urknalls passiert ist, annähern, die alte Frage, der Metaphysik, „Warum ist überhaupt etwas und nicht vielmehr nichts?“ (in der Formulierung von Gottfried Wilhelm Leibniz), bleibt dabei unbeantwortet. Eine Frage dieser Art ist der empirischen Wissenschaft unzugänglich, da sie auf einer höheren, allgemeineren Ebene angesiedelt ist. Sie ist, kurz gesagt, philosophischer Natur. Martin Heidegger (1889-1976) bezeichnete deshalb die Frage „Warum ist überhaupt Seiendes und nicht vielmehr Nichts?“ sogar als die zentrale Frage der Metaphysik, die sich allein mit logischen Argumenten nicht beantworten lässt. Ein Schlüsselbegriff ist hier der Begriff des „Nichts“. Er besitzt viele Bedeutungsaspekte, die sich im Falle der genannten Aussage auf die Nichtexistenz des Seienden reduzieren lassen. Die Ambivalenz zwischen Seiendem und Nichtseiendem ist bereits bei den Vorsokratikern (so nennt man die Naturphilosophen, die vor dem Athener Philosophen Sokrates (469 v. Chr. – 399 v. Chr.) wirkten) ein zentrales Thema ihres philosophischen Denkens. 

Mit der Erkenntnis, dass das Nichtseiende weder erkennbar noch erforschbar ist, wie es Parmenides von Elea (zwischen 520 v. Chr. und 460 v. Chr.)) lehrte, konzentrierte man sich nach ihm auf die nähere Bestimmung des Seins und dessen wesentlichste Eigenschaft, der Existenz. Die damit im Zusammenhang stehenden Fragen werden in der Lehre der Ontologie, also der Lehre von allem, was es gibt, behandelt. Weitere Schlüsselbegriffe sind in diesem Zusammenhang der Begriff der Wirklichkeit (Realität), das Problem der Identität sowie das auf Platon zurückgehende Problem der Universalien (das betrifft Allgemeinbegriffe wie Zahl, Mensch, Gott, Farbe etc. und die Frage, ob sie wirklich existent oder nur „menschliche Konstruktionen“ sind – Stichwort „Universalienstreit“), an dem sich noch heute die verschiedenen „Ontologien“ scheiden. Aber das soll hier nicht das Thema sein. Kommen wir lieber zum beliebten „Urknall“ zurück. 

Man liest, wenn man sich mit Kosmologie beschäftigt, immer häufiger, dass die Welt aus dem „Nichts“ entstanden ist, ohne dass dieses ominöse „Nichts“ näher, ob nun philosophisch oder physikalisch, spezifiziert wird. Für dieses „Nichts“ hat sich in der modernen Physik der Begriff des quantenmechanischen Vakuums eingebürgert, welches sich, wie man heute weiß, ganz grundlegend vom mathematisch denkbaren Vakuum, quasi der absoluten Leere, unterscheidet. Bereits in der Antike hat man das „Nichts“ mit einem anderen Begriff, dem der „Leere“ identifiziert (was zwar philosophisch gesehen eine Einschränkung ist, sobald man dem „Raum“ auch eine eigenständige Existenz zubilligt). Für die Atomisten war das der Raum zwischen den Atomen. Für ihre, der Atomisten, Lehre, war dieser Raum, den man vielleicht als „Mikrovakuum“ bezeichnen kann, notwendig, um die Bewegung der unteilbaren Atome postulieren zu können. 

Da es den meisten antiken Philosophen unmöglich war, das absolut Leere zu denken, wurde es geleugnet (horror vacui) bzw. von Aristoteles mit einem „fünften Stoff“ aufgefüllt. Dieser fünfte Stoff (neben Feuer, Erde, Wasser und Luft), die „quinta essencia“, sollte immateriell, strukturlos und frei von dem in den genannten Elementen enthaltenen Gegensätzen (z. B. warm und kalt, fest und flüssig…) sein. Er soll das gesamte Universum gleichmäßig ausfüllen (Äther) und außerdem die eigentliche Ursache für die Bewegung der Himmelskörper sein. Aus diesem Grund gibt es in der Philosophie des Aristoteles keinen Platz für das Vakuum, während für die Atomisten die Existenz der Leere eine Notwendigkeit ist, um die Bewegung der Atome als inhärente Eigenschaft der Materie überhaupt postulieren zu können. Die Leugnung des Vakuums durch Aristoteles lässt sich als eine direkte Konsequenz seiner Bewegungsauffassung ansehen. Seine Dynamikkonzeption basiert auf den Schlüsselbegriffen Kraft, Geschwindigkeit und Widerstand ("peripatetische Physik"). Dabei ist die Kraft die eigentliche Ursache für einen Bewegungsvorgang. Ein Körper bewegt sich aber nur solange, wie die Ursache, d. h. die Kraftwirkung, anhält. Ab dem Moment, wo keine Kraft mehr wirkt, sollte auch die Bewegung aufhören. Dass diese Behauptung nicht der Realität entspricht, konnte erst rund 2000 Jahre später Galileo Galilei (1564-1642) mit der Entdeckung des Trägheitsgesetzes zeigen. Nach Aristoteles ist demnach die Luft, die sich vor dem fliegenden Pfeil öffnet und sich dahinter wieder schließt, die eigentliche Ursache für dessen Bewegung. Erkennt man diese Aussage erst einmal als richtig an, dann folgt daraus zwingend, dass es ohne Luft auch keine Bewegung geben kann. Die Luft oder der „feinere“ Äther werden damit zu Medien, ohne die eine Bewegung quasi unmöglich ist. Ein völlig leerer Raum ist deshalb im Rahmen der peripatetischen Physik schon rein kinematisch undenkbar. 

Auf diese Weise wurde für die nächsten zwei Jahrtausende der Äther zu einem festen Begriff in den Naturwissenschaften. Die Frage nach der Existenz eines „Vakuums“ wurde erst wieder zu Beginn der Neuzeit aktuell, und zwar weniger aus weltanschaulich-philosophischen Gründen, sondern mehr aus rein praktischen Erwägungen. So war schon vor der Zeit Galileis den Bergleuten bekannt, dass man mit normalen Saugpumpen das Wasser nur ungefähr 9 Meter hoch anheben kann. Aus diesem Grund mussten zur Entwässerung von Bergwerken auch Kaskaden von Pumpen gebaut werden. Die Analyse dieser oft benutzten Geräte brachte das Vakuum als Synonym für den „luftleeren Raum“ wieder in das Blickfeld der Forschung. Evangelista Torricelli (1608-1647), dem wohl bekanntesten Schüler Galileis, gelang es 1644 erstmalig einen luftleeren Raum, ein Vakuum, herzustellen. Er füllte in eine rund 90 Zentimeter lange, an ihrem Ende zugeschmolzene Glasröhre Quecksilber, verschloss sie mit einem Finger und tauchte sie mit der Öffnung nach unten in ein Gefäß, welches ebenfalls Quecksilber enthielt. Nach Freigabe der Öffnung konnte er beobachten, wie sich ein rund 14 Zentimeter langer freier Raum oberhalb der Quecksilbersäule ausbildete. Torricelli äußerte die naheliegende Hypothese, dass dieser Raum völlig leer ist und somit ein Vakuum darstellt. Weitere Experimente bewiesen dann auch, dass er Recht hatte. So konnte man z. B. zeigen, dass sich der leere Raum oberhalb der Quecksilbersäule vollständig mit Wasser füllen lässt und somit wirklich leer ist. Trotz dieser offensichtlichen experimentellen Ergebnisse schieden sich aber gerade an diesem Punkt die Geister. Renè Descartes (1596-1650) war beispielsweise ein entschiedener Gegner der Auffassung, dass sich die Welt in einen „korpuskularen Teil“ und in ein Vakuum aufteilt. Mittels einer scharfsinnigen Argumentation suchte er zu beweisen, dass Raum und Substanz eine Einheit bilden. Für ihn gab es in der Welt nichts als sich bewegende Materie. Dieser Standpunkt kommt auch in folgendem Zitat zum Ausdruck: 

„Darin aber scheinen mir viele zu irren, dass sie zwar im Himmel eine Flüssigkeit annehmen, aber ihn wie einen leeren Raum vorstellen, der den Bewegungen anderer Körper keinen Widerstand leistet, aber auch keine Kraft hat, sie mit sich zu nehmen. Denn eine solche Leere kann es in der Natur nicht geben, und allen Flüssigkeiten ist es gemeinsam, dass sie nur deshalb den Bewegungen anderer Körper nicht widerstehen, weil sie selbst eine Bewegung in sich haben, und weil diese Bewegungen leicht nach allen Richtungen hin mit einer derartigen Kraft geschehen, dass sie bei einer bestimmten Richtung notwendig alle in ihnen enthaltene Körper mit sich nehmen, soweit keine andere Ursache sie zurückhält, und sie fest, ruhend und hart sind, wie aus dem früheren erhellt. …“ 

Aufbauend auf der These eines flüssigkeitsähnlichen, den gesamten kosmischen Raum ausfüllenden Äthers entwickelte Descartes in seinem Werk „Principia philosophiae“ (1644) eine Wirbeltheorie, nach der die Bewegung der Himmelskörper ursächlich durch eine Bewegung des Äthers bedingt ist. 

Das Faszinierende an seiner Theorie war, dass es ihm gelang, auf plausibel wirkende Weise die Bewegung der Planeten ganz ohne Fernwirkungskräfte zu erklären. Die große Bedeutung der Cartesianischen Ideen in der Wissenschaftsgeschichte liegt weniger in ihrem sachlichen Gehalt. Wichtiger ist vielmehr, dass Descartes nicht nur die prinzipielle Gleichheit irdischer und kosmischer Gesetze betonte, sondern auch die stoffliche Einheit der gesamten Welt hervorhob. In diesem Zusammenhang kann man durchaus Analogien zwischen seinem stofferfüllten Kosmos und dem quantenmechanischen Vakuum der gegenwärtigen Physik sehen. In den darauffolgenden Jahrzehnten nach Descartes erfreuten sich Versuche mit dem Vakuum wachsender Beliebtheit. Vakua, die durch Auspumpen von Hohlkörpern entstehen, bezeichnet man gewöhnlich als „technische Vakua“. Sie sind von großer praktischer Bedeutung. Der berühmte Magdeburger Bürgermeister und Ratsherr Otto von Guericke (1602-1686) verbesserte beispielsweise die Luftpumpe bis zur Perfektion und konnte mit ihrer Hilfe Gefäße luftleer pumpen. Sein bekanntester Versuch ist wohl der mit den Magdeburger Halbkugeln. 

Er wurde nach seinem Vorschlag 1654 erstmalig durchgeführt und zeigte anschaulich die enorme Kraft des Luftdrucks. Aus dem Innenraum zweier aneinandergesetzter Halbkugeln aus Kupfer ließ er die Luft herauspumpen und es zeigte sich, dass selbst zwei Gespanne von jeweils acht Pferden nicht in der Lage waren, die beiden Halbkugeln zu trennen. Dieses durchaus eindrucksvolle Experiment wird heute noch oft in etwas abgewandelter Form (Pferdemangel) in Physikvorlesungen gezeigt. Weiterhin konnte man schon damals bei weiteren Experimenten feststellen, dass sich im luftleeren Raum zwar Licht, jedoch kein Schall ausbreiten kann. Auch Leben ist im Vakuum nicht möglich. Die Beobachtung, dass sich im Vakuum sowohl Licht als auch Magnetismus ausbreitet (Robert Boyle, 1627-1691) und die von Isaak Newton (1643-1727) postulierte Fernwirkungstheorie der Gravitation zeigte, dass das Vakuum doch nicht völlig eigenschaftslos ist. Denn immerhin musste man ja irgendwie erklären, wieso es möglich ist, dass sich bestimmte Wirkungen durch den leeren Raum ausbreiten. 

Auf diese Weise entstanden verschiedene Konzeptionen eines raumerfüllenden universellen Äthers, der den absoluten Raum Newtons statisch ausfüllen und zugleich als Medium für die Übertragung von Fernwirkungen dienen sollte. Mit Hilfe des Äthers wollte man vordergründig die in der Physik auftretenden Fernkräfte auf die einsichtigere Nahwirkungskräfte zurückführen. Dass sich beispielsweis die Gravitation ohne Vermittlung eines Mediums durch den leeren Raum ausbreitet, erschien selbst Newton als völlig absurd. Trotzdem blieb die Ätherhypothese in seiner Mechanik völlig formal. Das Problem der Wechselwirkung konnte die Physik des 17. und 18. Jahrhunderts noch nicht lösen. Als Alternative zur Newtonschen Fernwirkungstheorie wurden solche dubiosen Stoffe wie der Wärmestoff (Phlogiston) oder die Lichtsubstanz vorgeschlagen. Sie sollten unwägbar und Bestandteile des universellen Äthers sein. Im 18. Jahrhundert ist es dann wieder still um den Äther geworden. Viele Wissenschaftler jener Zeit hatten sich mit der Fernwirkung der Gravitation abgefunden. Die Newtonsche Mechanik, ihr axiomatischer Aufbau und ihre erstaunliche und oft bewunderte Vorhersagekraft wurden schlechthin zum Inbegriff einer wissenschaftlichen Theorie. Neben der Mechanik wurde zu dieser Zeit besonders die Optik gepflegt. Zielgerichtete Experimente und theoretische Untersuchungen führten zu einer Wiederentdeckung der von Christian Huygens (1629-1695) in seiner „trait’de lumie’re“ im Jahre 1678 niedergelegten Idee, nach der das Licht ein Wellenvorgang ist. Damit erklärte er systematisch die geradlinige Ausbreitung, die Brechung und die Reflektion von Licht. Auch entwickelte er 1690 eine scharfsinnige, aber leider nur phänomenologische Theorie der Doppelbrechung, ohne jedoch zu erkennen, dass hinter dieser Erscheinung eine neue fundamentale Eigenschaft des Lichtes steckt. Da jedoch Newton in seiner „Optik“ (1704) der Korpuskularvorstellung den Vorzug gab, konnte sich aufgrund seiner Autorität die Wellenvorstellung nicht durchsetzen. Das änderte sich aber, als es 1801 Thomas Young (1773-1829) gelang, die am Doppelspalt beobachteten Interferenzerscheinungen qualitativ mit der Wellentheorie zu erklären. Die Erfahrung zeigte, dass sich das Licht sowohl durch durchsichtige Festkörper, Flüssigkeiten und Gase als auch durch das Vakuum ausbreiten kann. Damals waren den Wissenschaftlern jedoch nur elastische Wellen bekannt. So stand die Frage, warum sich Lichtwellen sowohl in Körpern hoher Elastizität als auch in Körpern geringer oder verschwindender Elastizität ausbreiten können. Um diese Frage zu beantworten, musste man einen hypothetischen Lichtäther einführen, der sowohl das Mikrovakuum als auch das Makrovakuum (d. h. den leeren Raum zwischen den Himmelskörpern) ausfüllen sollte. Diesen Lichtäther stellte man sich einerseits so extrem dünn vor, dass er die Bewegung der Planeten um die Sonne kaum beeinflussen kann. Andererseits sollte er aber auch elastisch genug sein, damit sich das Licht in Form von longitudinalen Ätherwellen in ihm ähnlich wie Schallwellen in der Luft fortpflanzen kann. Den ersten, sehr ernsten Rückschlag erhielt die Idee des elastischen Äthers durch Augustin Fresnel (1788-1827), der sich in seinen Arbeiten wieder mit der Frage der Polarisation des Lichtes auseinandersetzte. Er stellte experimentell fest, dass bei der Wechselwirkung von zueinander senkrecht polarisierten Lichtstrahlen keine Interferenz auftritt. Diese Beobachtung kann man jedoch nur erklären, wenn man annimmt, dass das Licht transversalen Charakter besitzt. Oder anders ausgedrückt: Das Licht ist keine Longitudinalwelle wie beispielsweise eine Schallwelle, sondern eher eine Transversalwelle, wie sie in Festkörpern auftritt. Der Nachweis der Transversalität der Lichtwellen bedeutet demnach, dass sich der Lichtäther ähnlich wie ein Festkörper verhalten muss. Dem widerspricht aber eindeutig die Bewegung der Planeten um die Sonne. Die Entdeckung, dass dem Licht Transversalwellencharakter zuzuschreiben ist, ist ja der eigentliche Kernpunkt des Dilemmas mit dem Äther. Dem Äther mussten Festkörpereigenschaften zugeschrieben werden, wenn er als Trägermedium für das Licht dienen soll. Um die liebgewordene Ätherhypothese zu retten, blieb nichts anderes übrig, als den Lichtäther mit neuen, sich zum Teil widersprechenden Eigenschaften auszustatten. Im Endeffekt konnte man ihm nur einige wenige mechanische Eigenschaften theoretisch widerspruchsfrei zuschreiben. Er sollte ein ruhendes, den ganzen kosmischen Raum ausfüllendes, quasistarres Substrat sein, welches die Aus-breitung von Licht ermöglicht und außerdem ein absolutes Bezugssystem darstellt. Die mechanische Äthertheorie übte jedoch einen solchen Reiz auf die Wissenschaftler aus, dass man trotz der sich immer mehr verschärfenden inneren Widersprüche an einer Präzisierung der eigentlich unhaltbaren Prämissen festhielt. Gelehrte wie Augustin Louis Cauchy (1789-1857), Franz Ernst Neumann (1798-1895) und George Gabriel Stokes (1819-1903) haben daran, wenn auch letztendlich erfolglos, gearbeitet. Noch verwirrender wurde die Situation als es galt, die neuen Erkenntnisse auf dem Gebiet der Elektrizitätslehre und des Magnetismus in dieses Bild einzuarbeiten. Schon seit langem wusste man, dass die Elektrizität und der Magnetismus durch das Vakuum hindurch wirksam sind. Um diese Wirkung adäquat beschreiben zu können, führte der englische Physiker Michael Faraday (1791-1867) den Begriff des elektrischen und magnetischen Feldes ein. Er schuf die experimentellen Grundlagen für die erste große Synthese zweier Kräfte (Faraday’sches Induktionsgesetzt), die James Clerk Maxwell (1831-1879) dann auch mit seiner Theorie des Elektromagnetismus vollzog. Diese Leistung ist nicht hoch genug einzuschätzen. Seine berühmten vier Gleichungen beschreiben die Struktur des elektromagnetischen Feldes, das demnach durchaus real existiert und neben der Substanz eine neue Art von Materie (im physikalischen Sinn) darstellt. Die Maxwellsche Theorie war die erste echte Feldtheorie in der Geschichte der Physik. Eine Interpretation im Rahmen mechanischer Vorstellungen erwies sich jedoch weiterhin als sehr schwierig, wenn nicht ganz unmöglich. Da man auf die Äthervorstellung nicht verzichten wollte, war man gezwungen, ihn weiter zu modifizieren. Auf diese Weise entstanden teilweise unheimlich anmutende Modelle mit einander berührenden Ätherwirbeln und daraus resultierenden Ätherdrücken und Ätherspannungen. Diese Modelle ebneten jedoch den Weg zu der Erkenntnis, dass sich die elektromagnetischen Erscheinungen letztendlich nicht auf die Mechanik zurückführen lassen. Eine unerwartete Konsequenz der Maxwellschen Gleichungen war die Vorhersage elektromagnetischer Wellen. Aus der Theorie konnte man nämlich eindeutig ableiten, dass eine beschleunigt bewegte elektrische Ladung immer elektromagnetische Strahlung emittiert, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und dabei Energie transportiert. Elektromagnetische Wellen in Form von Radiowellen wurden einige Zeit später von Heinrich Hertz (1857-1894) experimentell nachgewiesen. Außerdem wurde recht schnell klar, dass das Licht eine elektromagnetische Wellenerscheinung ist. Damit erhielt auch die Optik ein neues Fundament. Was nur noch ausstand, war der direkte Nachweis des Lichtäthers. Überlegungen von Maxwell, aber auch von Hermann Helmholtz (1821-1894) deuteten darauf hin, dass es möglich sein sollte, experimentell eine Bewegung der Erde gegenüber dem als ruhend angenommenen Weltäther festzustellen. Das entsprechende Experiment wurde 1881 von Albert Abraham Michelson (1852-1931) und in stark verbesserter Form 1887 zusammen mit Edward Williams Morley (1838-1923) durchgeführt. Mit Hilfe einer scharfsinnig ersonnenen und präzise aufgebauten Interferometeranordnung (man spricht von einem Michelson-Interferometer) versuchten sie die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen einem Lichtstrahl in Richtung der Erdbewegung und einem dazu senkrechten Strahl zu messen. Wenn das Licht eine Ätherwelle ist, dann sollten sich in Bewegungsrichtung der Erde die Lichtgeschwindigkeit und die Erdgeschwindigkeit addieren. Bei Existenz eines Lichtäthers hätte man demnach eine Geschwindigkeitsdifferenz messen müssen. Das Experiment und auch alle Folgeexperimente mit immer höherer Genauigkeit verliefen jedoch in jeder Hinsicht negativ. 

Es gibt schlicht keinen „Ätherwind“ und damit auch keinen „Lichtäther“. Stattdessen ergab sich die anschaulich nur schwer zu akzeptierende Erkenntnis: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist vom Bewegungszustand eines Beobachters völlig unabhängig. Während man die Nichtexistenz des Äthers mit seinen exotischen Eigenschaften durchaus verschmerzen konnte, führte die daraus abgeleitete Konstanz der Vakuumlichtgeschwindigkeit zu neuen Konflikten. Es zeigt sich, dass damit die sogenannten Galilei-Transformationen - eine der Grundpfeiler der Klassischen Mechanik - ihre Gültigkeit verlieren. Geschwindigkeiten, die nahe an der Lichtgeschwindigkeit von ~300.000 km/s liegen, lassen sich nicht mehr einfach addieren. Die „Zeit“ selbst ändert sich und hängt vom Bewegungszustand des Bezugssystems ab. Diese wahrhaft revolutionäre Erkenntnis verdanken wir Albert Einstein (1879-1955). 1905 veröffentlichte er die Spezielle Relativitätstheorie, mit der er die Raum-Zeit-Auffassungen der klassischen Physik einer grundlegenden Revision unterwarf. Damit wurden auch der Ätherhypothese endgültig die Grundlagen entzogen. Das Vakuum erwies sich im klassischen Sinn als wirklich leer. Was blieb, waren Teilchen und Felder. Die weitere Geschichte des Vakuums wird durch die ungefähr zur gleichen Zeit entstandene Quantenphysik bestimmt. 

SETI – die Suche nach außerirdischen Zivilisationen

(Das ist nur eine kleine Leseprobe aus meinem Buch "Astrobiologie")

Die alten Römer benutzten das Wort speculari immer dann, wenn sie ihren Blick von einem erhöhten Standpunkt aus in die Ferne haben schweifen lassen. Daraus entstand im Deutschen das Wort „spähen“, aus dem sich wiederum der Begriff „Spekulation“ ableitet, welcher im Folgenden nichts weiter als eine nicht als beweisbar geltende Aussage bezeichnen soll. Er ist in diesem Sinn quasi ein philosophisch angehauchtes Synonym für eine „Hypothese“, über deren Wahrheitsgehalt sich bekanntlich manchmal trefflich streiten lässt. Der Grund dafür ist die weitgehend fehlende rationale Basis, welche eine Hypothese von einer Theorie unterscheidet. Oder wie es Emmanuel Kant (1724-1804) einmal so treffend ausgedrückt hat: 

„Eine theoretische Erkenntniß ist speculativ, wenn sie auf einen Gegenstand oder solche Begriffe von einem Gegenstande geht, wozu man in keiner Erfahrung gelangen kann.“ 

Spekulative Fragestellungen haben aber ohne Zweifel die Menschheit immer wieder vorangebracht, in dem sie Ausgangspunkte für wissenschaftliche Theorien wurden. Denn viele von ihnen konnten im Laufe der Zeit bewiesen werden. Aber genauso viele wurden letztendlich als falsch erkannt und einige, besonders Grundlegende (z. B. die Frage, ob es einen freien Willen gibt oder die Frage, ob sich die Existenz (oder Nichtexistenz) von Gott logisch beweisen lässt), beschäftigen uns noch heute. Dazu gehört auch die Frage, die ein Gegenstand des vorliegenden Buches ist: „Was ist Leben und wie entsteht es?“. Wir ahnen zwar, dass die Frage nach der Entstehung des Lebens, „wie wir es kennen“, grundsätzlich auf wissenschaftlicher Basis beantwortbar ist. Nur ist es bis heute noch niemanden gelungen. Und wenn man die von Karl Popper (1902-1994) formulierten Bedingungen für eine wissenschaftlich fundierte Theorie zugrunde legt, kann man auch nicht sicher sein, ob diese Frage überhaupt jemals abschließend im Sinne einer „wissenschaftlichen Wahrheit“ beantwortet werden kann. Andererseits ist das für ein Selbstverständnis des Menschen aber auch gar nicht unbedingt notwendig. Hier reicht die Überzeugung aus, dass eine Abiogenese grundsätzlich möglich ist, wenn die Bedingungen „stimmen“ (was das auch immer heißen mag), und man deshalb nicht auf etwas „Übernatürliches“ ausweichen muss. 

Kurz gesagt, es gibt Dinge zwischen Himmel und Erde, die wahrscheinlich wahr sind, die sich aber (noch) nicht beweisen lassen. 

Zwar gilt die Wissenschaft prinzipiell als „frei“ und man geht stillschweigend davon aus, dass sie für jede vernünftige Idee offen ist. Das bedeutet aber noch lange nicht, dass in ihren Reihen das „Undenkbare“ auch immer offen diskutiert werden kann. Um aber auch unkonventionellen Ideen, soweit sie nicht von vornherein völlig absurd erscheinen, eine ernsthafte Plattform zu geben, wurde 1997 von James Lee Byars (1932-1997) und John Brockman die Plattform „Edge“ gegründet. Zu ihrer Tradition gehört es, jedes Jahr ausgewählten und mehr oder weniger bekannten Wissenschaftlern, Künstlern und anderen Intellektuellen eine ganz spezielle Frage vorzulegen, die „Edge“-Frage, mit der Bitte, darüber (und zwar unentgeltlich) einen kurzen Essay zu verfassen. Und viele der angesprochenen Personen tun das auch, was zu hoch interessanten Einsichten weitab des Mainstreams der Meinungen führt, wie ein Blick auf die Webseite der Edge Foundation zeigt (www.edge.org). Eine typische Edge-Frage ist beispielsweise die Frage des Jahres 2008:

"When thinking changes your mind, that's philosophy.

When God changes your mind, that's faith.

When facts change your mind, that's science.

WHAT HAVE YOU CHANGED YOUR MIND ABOUT? WHY?

Science is based on evidence. What happens when the data change? How have scientific findings or arguments changed your mind?"

Diese Frage kann man, wenn man möchte, mit der Edge-Frage des Jahres 2006 verbinden, die da lautet:

WHAT IS YOUR DANGEROUS IDEA?

The history of science is replete with discoveries that were considered socially, morally, or emotionally dangerous in their time; the Copernican and Darwinian revolutions are the most obvious. What is your dangerous idea? An idea you think about (not necessarily one you originated) that is dangerous not because it is assumed to be false, but because it might be true?

Was haben diese Fragen mit dem Thema meines Buches über Astrobiologie zu tun? Die Frage, die sich auf die banale Form „Sind wir allein im All?“ bringen lässt und deren Suche nach Antwort die Astrobiologie nicht unwesentlich motiviert, ist durchaus eine der angesprochenen „gefährlichen Fragen“ – insbesondere dann, wenn ihre Beantwortung auf „Ja“ hinauslaufen sollte. Dabei sind mit „wir“ lebende Wesen gemeint, die in der Lage sind, sich selbst bewusst zu werden, Sozietäten zu gründen, die eine auf Wissenschaft beruhende technologische Entwicklung einschlagen und auf diese Weise in die Lage versetzt werden, sich im Universum überhaupt bemerkbar zu machen. Die Menschheit ist gerade dabei, dafür die Grundlagen zu schaffen. Ob es ihr gelingen wird, ist aufgrund der vielfältigen Probleme, die noch auf sie warten, alles andere als sicher (s. z. B. (Rees, 2003)).

Wie Staub im Kosmos entsteht...

Carina Nebula - Hubble-Telescope (Quelle APD)

Für die Entstehung von Planeten sind die ungefähr zu einem Masseprozent in einer protoplanetaren Scheibe vorhandenen Staubpartikel (ihre Konsistenz ist am ehesten mit den Partikeln in Zigarettenrauch, wenn auch in viel geringerer Anzahldichte, zu vergleichen) unabdingbar. Sie liefern zusammen mit gefrorenen volatilen Stoffen (insbesondere Wasser) das Material, aus dem sich zuerst Planetesimale und später aus den Planetesimale Planeten bilden. Die Frage, die sich stellt, ist, auf welche Weise aus einer Gas- und Staubscheibe mit mikrometergroßen Festkörperpartikel am Ende eines nicht sonderlich langen Entwicklungsprozesses (die Zeitskala liegt in der Größenordnung von 10^5 bis 10^6 Jahren) Planeten wie die Erde entstehen. Doch zuvor muss das Grundmaterial, der "Staub" in den kosmischen Raum und damit in die interstellare Materie gelangen. Wie und wo diese "primäre" Staubkomponente entsteht, ohne die es uns nicht geben würde, möchte ich in diesem kleinen Essay erklären - also wem's interessiert...

Interstellarer Staub

Der Staub in einer protoplanetaren Scheibe widerspiegelt den Staub in der interstellaren Materie (ISM) im Sternentstehungsgebiet - nur dass er hier bereits in einer konzentrierteren und z. T. modifizierten Form vorliegt bzw. „aufgelöst“ Bestandteil des Scheibengases ist. Typischerweise bezeichnet man als „Staub“ (engl. stardust) mikroskopisch kleine Festkörperpartikel, die insbesondere aus den Elementen Kohlenstoff, Silizium, Magnesium und Eisen in Verbindung mit Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Die größeren Staubteilchen haben einen typischen Durchmesser von 0,1 µm, was ungefähr 10^9 Atomen entspricht. Sie besitzen oftmals noch eine Hülle aus „Eis“, d. h. aus verschiedenen volatilen Stoffen (insbesondere Wasser). Andere Staubpartikel bestehen aus Cluster aus oftmals nur wenigen 100 Atomen (Durchmesser ~0,005 µm). Auch die als „polyzyklische aromatische Wasserstoffe“ (PAH’s) bezeichneten Makromoleküle, die, grob gesagt, nichts anderes als auf verschiedene Weise verbundene Benzolringe darstellen, werden aufgrund ihrer Absorptionseigenschaften im IR (Infrarot) manchmal mit zum interstellaren Staub gerechnet. Das Größenspektrum (Durchmesser über Anzahl) des interstellaren Staubes besitzt ein Maximum bei einigen 10^(-2) bis 10^(-3) µm.

Entstehung der Staubkomponente der ISM

Staubproduktion ist im Wesentlichen ein Phänomen von Sternen in den Spät- und kataklysmischen Stadien der Sternentwicklung. Nur sie sind in der Lage in ihrem Inneren die für die Staubproduktion notwendigen Elemente C, O, Si, Mg, Fe … zu fusionieren. 

Primäre Staubbildung erfolgt immer durch direkte Kondensation aus der Gasphase heraus, sobald die Temperatur unter einem kritischen Wert (der Kondensationstemperatur) gefallen und im Gas eine Sättigung der entsprechenden Stoffe erreicht ist. 

Folgende stellaren Prozesse sind in der Lage, den interstellaren Raum mit Staubpartikeln anzureichern:

Sterne, die im Hertzsprung-Russel-Diagramm den Riesenast bzw. den Asymptotischen Riesenast (AGB, Asymptotic Giant Branch) bevölkern, sind in der Lage, Masse durch intensive Sternwinde abzuführen. In dieser Phase der Sternentwicklung kommt es oft zu radialen Pulsationen, wodurch Materie aus dem Inneren des Sterns in die kühle, ausgedehnte Sternatmosphäre transportiert wird. Dort kondensieren insbesondere Karbide (aber auch direkt Graphit und Ruß) aus, die z. T. bereits hier zu größeren Aggregationen koagulieren und durch den intensiven Sternwind, durch Stoßwellen sowie durch den Strahlungsdruck in den interstellaren Raum geblasen werden. Mira-Veränderliche und insbesondere R Coronae Borealis - Sterne gehören in dieser Beziehung zu den wichtigsten Produzenten kohlenstoffreicher „Sternstäube“. Abschließend müssen in dieser Beziehung auf jeden Fall noch die sogenannten Wolf-Rayet-Sterne (massereiche Sterne >10 M⊙) erwähnt werden, die durch besonders intensive „Sternwinde“ und damit einhergehende Masseverlustraten auffallen. 

Extrem massereiche Hyperriesen (100 bis 120 M⊙) wie z. B. η Carinae, machen Ausbruchepisoden durch, bei denen große Mengen Staub (beispielsweise Silikate), aber auch schwerere Elemente in Form von Gas (z. B. Stickstoff, Sauerstoff) in den interstellaren Raum gelangen. 

Ejekta von klassischen Novae. 

Besonders wichtig für die Anreicherung der ISM mit schweren Elementen sowie radioaktiven Stoffen sind Supernovaexplosionen vom Typ II (hydrodynamische Supernovae). Sterne mit mehr als 8 M⊙, die am Ende ihrer Entwicklung (d. h. nach der letzten energieerzeugenden Kernfusionsphase) einen Kernkollaps zu einem Neutronenstern oder Black hole erleiden, können ihre gesamte äußere Hülle verlieren, wodurch die darin in einzelnen Schalen konzentrierten Stoffen in den interstellaren Raum gelangen. Voraussetzung für deren Kondensation ist, dass der Zeitraum, in der Teile der Ejekta durch den Zerfall eingelagerter radioaktiver Stoffe geheizt werden, klein ist im Vergleich der Expansionszeitskala, so dass das Gas unter 2000 K abkühlen und Staubpartikel auskondensieren können. Aber auch sogenannte „thermonukleare Supernovae“ (die in ihrem Aufbau durchaus klassischen Novae ähneln, nur dass der Massezuwachs des Weißen Zwerges letztendlich zu einem plötzlich einsetzenden „Kohlenstoffbrennen“ führt, der den Weißen Zwerg quasi zerreißt) reichern in gleicher Weise das interstellare Gas mit schweren Elementen und damit auch „Sternenstaub“ an.

Die Zukunft unserer Sonne

Unsere Sonne existiert seit etwa 4.6 Milliarden Jahren, wobei sie 99% dieser Zeit in einem stabilen Hauptreihenstadium verbracht hat, das mindestens noch weitere 6 Milliarden Jahre anhalten wird. Dieses Hauptreihenstadium ist dadurch gekennzeichnet, dass während dieser Zeit die Sonne ihren Energiehaushalt durch Wasserstofffusionsprozesse in ihrem Kernbereich bestreitet. Dabei wird ihre Leuchtkraft langsam, aber stetig, weiter zunehmen und zwar derartig, dass es bereits in 500 Millionen Jahren auf der Erde zunehmend ungemütlicher wird.

Die zukünftige Entwicklung unserer Sonne – oder allgemeiner, die eines Hauptreihensterns mit einer Masse von ungefähr 1 Sonnenmasse – lässt sich mittels der Theorie der Sternentwicklung prinzipiell vorhersagen. Dabei interessiert vor allem, wie sich a) die Leuchtkraft und b) der Durchmesser im Laufe der Zeit entwickelt und welche Energieerzeugungsmechanismen in den einzelnen Entwicklungsphasen den Stern stabil halten. Und natürlich die Frage, welche Auswirkungen haben diese Entwicklungen auf unser Planetensystem und insbesondere auf die Erde?

Problematisch in der Prognose sind immer die Phasen im Leben eines Sterns, die mit einem größeren Masseverlust verbunden sind. Das liegt daran, dass die physikalischen Bedingungen im Zentralbereich der Sterne, also dort, wo durch Kernfusion deren Energie erzeugt wird, stark masseabhängig sind. Deshalb kann auch nicht mit absoluter Sicherheit vorhergesagt werden, ob die Sonne beim Übergang in das Rote Riesen-Stadium soweit expandiert, dass die Erde in ihrem Inneren verschwindet.

Als vor etwa 4,6 Milliarden Jahren die Sonne bei der Kontraktion einer interstellaren Gas- und Staubwolke entstanden ist, bestand sie zu 73% aus Wasserstoff, zu 25% aus Helium und zu ca. 2% aus den sogenannten „Metallen“ (das sind in der Astrophysik alle Elemente schwerer als Helium). Da ihr Inneres zu jener Zeit bis zum Zentrum konvektiv war, war diese Elementezusammensetzung überall im Stern gleich, d. h. es gab in dieser Beziehung keinen Unterschied zwischen Kernbereich und Sternatmosphäre. Als sich nach einigen Anfangsinstabilitäten (z. B. während des T-Tauri Stadiums) im Sonnenkern eine Zone ausgebildet hatte, wo selbstregulierend Wasserstoff zu Helium fusionierte, musste sich im Laufe der Zeit in diesem Bereich zwangsläufig die Zusammensetzung ändern. Man vermutet, dass der innerste Kernbereich heute (d. h. nach mehr als 4 Milliarden Jahre Wasserstoffbrennens) aus ca. 35% Wasserstoff, 63% Helium und 2% „Metallen“ besteht, während die Sonnenatmosphäre im Wesentlichen immer noch die ursprüngliche Zusammensetzung aufweist. Da der Wasserstoffgehalt im Kern im Laufe der Zeit kontinuierlich abnimmt und das bei der Wasserstofffusion entstehende schwerere Helium an den Kernprozessen nicht teilnimmt, muss aus Stabilitätsgründen der Sonnenkern langsam schrumpfen, was zu einer Temperaturerhöhung und damit zu einem effektiveren Wasserstoffbrennen führt. Das bedeutet letztendlich, dass die Leuchtkraft im Laufe der Zeit langsam ansteigt, da sich die Energieproduktionsrate mit steigender Temperatur erhöht. So ist die Leuchtkraft der Sonne seit dem Zeitpunkt, als sie die Hauptreihe erreicht hat, bis heute um ca. 30% angestiegen. In den nächsten 1,2 bis 1,3 Milliarden Jahren wird ihre gesamte Abstrahlung um weitere 10% anwachsen. Nach dem Stefan-Boltzmann’schen Gesetz entspricht das zwar nur einem Zuwachs der effektiven Temperatur um etwa 150 K. Die Auswirkungen auf die Erde werden jedoch dramatisch sein. In ungefähr 6,4 Milliarden Jahren wird die Sonne eine Leuchtkraft von ca. 2.2 Sonnenleuchtkräften erreichen und ihr Kernbereich zunehmend an Wasserstoff verarmen. Sie versucht dann dieses Defizit durch eine Kontraktion des Kerns auszugleichen, was jedoch aufgrund des Virialsatzes nur zu einer weiteren Erhöhung der Leuchtkraft über die nächsten 700 Millionen Jahre führt. Konkret bedeutet das, dass die Sonne auf das 2,3-fache ihres heutigen Durchmessers anwachsen und die Leuchtkraft das 2,7-fache der heutigen Leuchtkraft erreichen wird. Der Planet Mars wird dann in etwa den gleichen Energieeintrag erhalten, wie die Erde heute. Ab diesem Moment beginnt eine zwar kurze (gemessen an der Dauer des Hauptreihenstadiums), aber sehr turbulente und aufregende Phase im Leben der Sonne. Sobald der Wasserstoffanteil im Sonnenkern unter 12% abgesunken ist, wird sich eine dicke, den Heliumkern umgebende Schale ausbilden, in der die Wasserstofffusion fortgeführt wird. Die physikalischen Bedingungen im heliumreichen Kern reichen aber vorerst noch nicht aus, um auch darin Kernfusionsprozesse zu zünden. Mit dem Beginn des Schalenbrennens verlässt die Sonne endgültig die Hauptreihe im Hertzsprung-Russel-Diagramm und beginnt mit ständig zunehmender Leuchtkraft und weiterer Vergrößerung des Durchmessers in Richtung Riesenast zu wandern. Da dieser Vorgang mit einer Aufblähung des Sterns auf das über 170-fache des heutigen Durchmessers bei gleichzeitig sinkender effektiver Temperatur und (wegen der Vergrößerung der strahlenden Oberfläche) mit einer Erhöhung der Leuchtkraft auf über 2000 Sonnenleuchtkräfte verbunden ist, stellt dieser Vorgang den Übergang in das Rote Riesen-Stadium dar. Außerdem nimmt der Sonnenwind massiv an Stärke zu, was dazu führt, dass rund 38% der Sonnenmasse in den kosmischen Raum abgeblasen wird. Dieser Masseverlust ist auch die Ursache dafür, dass die Erdbahn weiter nach außen wandert und so die Erde wahrscheinlich ihrer vollständigen Zerstörung entgehen kann. Merkur und Venus werden aber auf jedem Fall im Inneren des Roten Riesensterns verschwinden. Aber auch das Schalenbrennen im Innern der Sonne wird aufgrund des Wasserstoffverbrauchs schnell immer uneffektiver. Der Kern beginnt wieder zu kontrahieren, wobei die einsetzende Elektronenentartung die Kerntemperaturen auf über 100 Millionen K treibt, also auf einen Wert, wo ein neuer Kernfusionsprozess zünden kann. Es handelt sich dabei um den Tripel-Alpha-Prozess, bei dem aus Heliumkernen über die Zwischenstufe Beryllium Kohlenstoffatome aufgebaut werden. Die Kohlenstoffatome können sich wiederum durch den Einfang von Alpha -Teilchen in Sauerstoffatome umwandeln. Es kommt zu einer dramatischen Schrumpfung der Sonne, wodurch die Leuchtkraft absinkt und ein neuer stabiler Zustand erreicht wird, der solange anhält, wie das Heliumbrennen im Kern genügend Energie liefert. Das sind einige 100 Millionen Jahre. Sollte die Erde diesen „first redgiant peak“ überlebt haben, dann liegt ihre Oberflächentemperatur auf der Sonnenseite jetzt bei über 600° C. So etwas wie eine Atmosphäre hat sie dann aber nicht mehr (ihre Hydrosphäre hat sie bereits viel früher aufgrund eines ausufernden Treibhauseffektes verloren).

Aus physikalischen Gründen ist der Aufbau von Elementen mit einer Ordnungszahl größer 8 (also Sauerstoff) in massearmen Sternen unterdrückt. Erst bei Sternen ab einer Masse von rund 4 Sonnenmassen kann auch durch Kohlenstoffbrennen Energie erzeugt werden. Derartige Kernreaktionen sind aber bei der Sonne aufgrund ihrer geringen Masse (z. Z. des Heliumbrennens 0,6 Sonnenmassen) nicht möglich. Deshalb passiert jetzt quasi das Gleiche, wie beim Erlöschen des Wasserstoffbrennens im Sonnenkern am Ende ihrer Hauptreihenexistenz. Im Kern, der sich aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des entarteten Elektronengases weitgehend isotherm verhält, sammelt sich Kohlenstoff und Sauerstoff an, was dazu führt, dass er irgendwann als Fusionsreaktor inaktiv wird. Das Heliumbrennen verlagert sich in eine Schale, die langsam nach außen wandert. Auch darin ist das Elektronengas entartet und bestimmt den Gasdruck allein. Damit fällt ein wichtiger Regelmechanismus weg, der im Hauptreihenstadium zu der außergewöhnlichen Stabilität dieser Sterne beigetragen hat. Während in einem normalen Gas eine lokale Erhöhung der Energiefreisetzungsrate eine Volumenvergrößerung eines Masseelements bewirkt (wobei die zusätzliche zugeführte Energie soweit verbraucht wird, bis wieder Stabilität eintritt – ein typischer Fall von Kühlung), ist das in einem entarteten Gas nicht möglich. Eine Erhöhung der Energiefreisetzungsrate in einer heliumbrennenden Schale hat quasi überhaupt keinen Einfluss auf den Druck des entarteten Elektronengases und führt deshalb auch nicht zu dessen Expansion. Die Energie kommt allein dem umgebenden Gas zugute, wodurch sich dessen Temperatur erhöht. Eine Temperaturerhöhung verbessert aber zugleich die Fusionsbedingungen so dass noch mehr Energie freigesetzt wird. Dieser Prozess stoppt erst, wenn die Temperaturen so stark angewachsen sind, dass die Entartung des Elektronengases aufgehoben wird und das normale Gas (welches sich wie ein ideales Gas verhält) wieder die Oberhand gewinnt. Dieser Vorgang, der als thermische Instabilität bezeichnet wird, kann innerhalb kürzester Zeit zu einer enormen Leuchtkrafterhöhung („Flash“ genannt) führen und wiederholt sich mehrfach mit Perioden von einigen 1000 bis 10.000 Jahren. Bei der Sonne sagen die Sternentwicklungsmodelle 4 bis 5 derartiger „Helium shell flashes“ voraus, wobei immer Teile der Sternatmosphäre verloren gehen. Beim letzten „Flash“ wird dann die gesamte verbliebene äußere Atmosphäre abgesprengt und es entsteht ein neuer planetarischer Nebel. Danach bleibt nur noch der entartete Kern übrig, der als kompakter Weißer Zwergstern langsam auskühlt um schließlich als „Schwarzer Zwerg“ endgültig zu verlöschen. Die Sonne hat zum Zeitpunkt der Entstehung des Weißen Zwergsterns ein Alter von 12,37 Milliarden Jahre erreicht.