KANN DUNKLE MATERIE MIT GRAVITATIONSWELLEN AUFGESPÜRT WERDEN?

(Bild: Max-Planck-Institut für Kernphysik)

Ein Artikel des Standard hat offenbar soviel Interesse geweckt, dass mich ein sehr beschäftigter Herr unter meinen Lesern darauf aufmerksam machte – Grund, sich das näher anzusehen!

Im Artikel wird die These vertreten, ein exotischer Materiezustand einer leichten, noch unbekannten Teilchensorte, die sich zum Beispiel in einer Galaxie tummelt, könnte dazu führen, dass durchgehende Gravitationswellen verlangsamt werden. Durch diese Zeitverzögerung könne man möglicherweise Dunkle Materie mit zukünftigen Gravitationswellen-Teleskopen nachweisen. Klingt nach einer spannenden Perspektive.

Denkt man allerdings an die Beobachtungspraxis, stellt sich sofort die Frage, wie denn die Laufzeitverzögerung den gemessen werden soll – man hat ja keine unabhängige Information über die Entferung der Quelle! Eine zu Gravitationslinsen analoge Messung, bei der entfernte Galaxien Hintergrundlicht fokussieren, scheitert schon daran, dass bisher registrierbare Gravitationswellen von singulären Ereignissen stammen, ganz abgesehen von der nicht existenten Winkelauflösung der derzeitigen Detektoren… es steckt als schon eine Menge Optimismus in dieser “Nachricht”, subtil erkennbar an dem Eingeständnis, die Wissenschaftler seien überzeugt, mit dieser Methode nach Dunkler Materie “fahnden” zu können. Wir wollen sie – 85 Jahre nach ihrer postulierten Existenz – endlich zu fassen bekommen!

Viel schlimmer, und bezeichnend für den heutigen Wissenschaftsbetrieb, sind jedoch die unbegründeten Annahmen und methodischen Zirkelschlüsse, welche die sensationsheischende Meldung transportiert. Bei genauerem Hinsehen sagt sie nämlich nichts quantitatives vorher, sondern lediglich einen von vielen beliebig konstruierbaren Mechanismen, mit denen man Beobachtungen als Dunkle Materie interpretieren kann. Es war nur eine Frage der Zeit, bis auch die Gravitationswellen zu dieser theoretischen Trittbrettfahrt genutzt würden. Wie so oft in der Physik werden hypothetische Effekte postuliert, mit denen man Widersprüche zu den bekannten Gesetzen entschuldigen kann, anstatt diese Gesetze grundlegend zu reflektieren. Wer zum Beispiel Thomas Kunhn’s Buch Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen” gelesen hat, weiß auf welche schiefe Bahn der Komplizierung die Physik auf diese Weise immer wieder gerät. 

An diesem Beispiel zeigt sich leider wieder einmal, dass in Ihrem Fach hochqualifizierte Experten sich zwar im Labyrinth ihres Spezialgebietes zurechtfinden, aber in der freien Wildbahn fundamentaler Physik, wo es auf methodisch-historische Kenntnisse und gesunden Menschenverstand ankäme, eher unbeholfen agieren.

Eine weiterhin nachdenkliche :-) Adventszeit mit entspechender Erleuchtung ohne Dunkle Substanzen wünscht Ihnen allen

Alexander Unzicker

WARUM DIE PHYSIK GEGEN DIE MYTHOLOGIE EINEN SCHWEREN STAND HAT

Die echten revolutionären physikalischen Ideen der letzten hundert Jahre gerieten samt und sonders in Vergessenheit oder wurden gar nicht erst bekannt. So auch die Robert Dickes, der den Schlüssel zur Revolution der Kosmologie aufnahm, den Albert Einstein fünfzig Jahre vorher verloren hatte.

Welcher Schlüssel?

„Aber Einstein hat doch die Kosmologie revolutioniert!“ mögen Sie jetzt empört ausrufen. Stimmt, aber er hätte sie doppelt revolutionieren können.
Natürlich war das Prinzip der Relativität ein Paradigmenwechsel, der die komplette Physik der großen Entfernungen revolutionierte. Aber die heute bekannte Version der allgemeinen Relativitätstheorie beruht auf der klassischen Gravitation mit der Gravitationskonstante G, wie sie Sir Isaac Newton postuliert hatte.
Was nur wenige wissen ist, dass Einstein lange versuchte, das sogenannte Machsche Prinzip in seine Theorie einzubauen. Demnach wäre die Stärke der Gravitation durch alle anderen Massen im Universum bestimmt und die Gravitationskonstante berechenbar – nur gelang ihm das leider aufgrund ungünstiger Umstände nicht. Deshalb entschied er sich für eine Variante seiner Relativitätstheorie mit konstanter Lichtgeschwindigkeit und gekrümmter Raumzeit. Schade! Denn damit verlor er den Schlüssel zu einer noch umfassenderen Revolution unseres Weltbildes.

Der Geniestreich

Fünfzig Jahre später arbeitete Robert Dicke an einer derartigen verbesserten Version der Relativitätstheorie, ganz im Sinne des Machschen Prinzips. Sein Ansatz war ebenfalls, die Gravitationskonstante zu eliminieren. Er schaffte das scheinbar Unmögliche und konnte dabei einen Fehler ausmerzen – nämlich den, den Einstein in der Formel zur Berechnung der Ablenkung des Lichts durch große Massen gemacht hatte.
Dicke hatte damit gezeigt, dass es rechnerisch keinen Unterschied zwischen den Versionen mit konstanter und variabler Lichtgeschwindigkeit gibt. In Einsteins Version breitet sich das Licht mit konstanter Geschwindigkeit aus, muss aber in der durch die Gravitation von Massen gekrümmten Raumzeit längere Wege zurücklegen. In Dickes Version hat die Gravitation keinen Einfluss auf die Raumzeit, beeinflusst jedoch die Lichtgeschwindigkeit. Das Ergebnis ist so oder so das gleiche und es können dieselben Beobachtungen mit beiden Versionen beschrieben werden.

Warum die Revolution ausblieb

Die Tragweite von Dickes Arbeit blieb jedoch weitgehend unerkannt. Er wusste gar nicht, dass Einstein ein halbes Jahrhundert zuvor eine fast identische Formel mit variabler Lichtgeschwindigkeit formuliert hatte – eben nur mit einer kleinen, aber fatalen Abweichung. Dadurch berief er sich nicht auf diese Arbeit Einsteins und der Zusammenhang blieb bei anderen Physikern ohne große Resonanz.
Schwerer noch wiegt vielleicht die Tatsache, dass seine Arbeit schlicht ignoriert und unter den Teppich gekehrt wurde, weil sie sich nicht mit der herkömmlichen Vorstellung des Urknalls verträgt. Der Urknall ist heute aber schon eine Art von Schöpfungsmythos geworden und als solcher scheint er fast unantastbar zu sein. Als physikalische Theorie taugt der Urknall nämlich eigentlich nur sehr bedingt, weil eine Extrapolation zu so frühen Zeiten irgendwann unseriös wird. Trotzdem ist er Teil des modernen kosmologischen Standardmodells. Und ein Großteil der mit Kosmologie befassten Physiker hält trotz vieler Widersprüche daran fest, weil ihnen einfach nichts Besseres einfällt. Und weil sie Dickes Arbeit aus dem Jahr 1957 nicht kennen.
Man muss wohl einfach Geduld haben, bis sich dies allmählich herumspricht. Es lohnt sich aber meiner Meinung nach, nicht aufzugeben. Die Aussicht auf die nächste Revolution unseres Weltbildes ist einfach zu faszinierend, um sie fallen zu lassen.
Oder was meinen Sie?

WENN THEORIEN IN RAUCH AUFGEHEN

Was passiert, wenn die Kohle in Ihrem Grill verbrennt? Ganz klar: Die Kohle enthält eine Menge Feuerstoff, das sogenannte Phlogiston, das bei Erhitzung der Kohle entweicht und in Flammen aufgeht.

Wie, das wussten Sie nicht? Nun, die europäischen Naturwissenschaftler waren sich darüber vor vier Jahrhunderten noch recht einig.

Phlogiston stellten sie sich als elementaren Stoff vor, der in allen Substanzen zu einem größeren oder kleineren Anteil vorhanden ist und ihre Eigenschaften mitbestimmt. Brennbare Stoffe wie Holz oder Kohle enthalten viel davon, Metalle weniger.

Viel Rauch um nichts

Die Theorie entstand im 17. Jahrhundert und hielt sich, bis Antoine Laurent de Lavoisier etwa 100 Jahre später das Prinzip der Oxidation entdeckte und damit die Phlogiston-Theorie widerlegte. Seitdem verbrennen die Kohlen auf Ihrem Grill durch Zuführung von Luftsauerstoff in einer Oxidationsreaktion.

Vor Lavoisier jedoch war die Verbrennung ein Rätsel, das die Wissenschaftler sich nicht erklären konnten. Der Feuerstoff war die vermeintliche Rettung aus der Bredouille.

Was den Naturwissenschaftlern damals wohl nicht auffiel: Das Erklärungsproblem war damit nur verschoben. Die Frage, die zwangsläufig hätte folgen müssen, war: „Wieso brennt das Phlogiston, wenn es erhitzt wird?“ Die Erklärung via Phlogiston war also vor allem viel Rauch um nichts.

Viel Rauch um nichts – Reloaded

Lustigerweise wiederholt sich das Muster der Scheinlösung durch Problemverschiebung im Wissenschaftsbetrieb immer wieder. Winston Churchill bemerkte ganz richtig: „Wer darin versagt, aus der Geschichte zu lernen, ist dazu verdammt, sie zu wiederholen.“

Eine verblüffend ähnliche Problemverschiebung wie die des Phlogistons geht auf eine Vermutung zurück, die der niederländische Astronom Jan Hendrik Oort 1932 erstmals äußerte. Er hatte beobachtet, dass die Sterne in den Randbezirken der Galaxien viel schneller liefen als erwartet. In meinem letzten Blogbeitrag mit dem Titel „Dunkel war’s, der Mond schien helle …“ gehe ich näher auf dieses Thema ein.

Oort konnte keine gute Erklärung für das merkwürdige Umlaufverhalten der Sterne finden und vermutete deshalb, es müsse noch mehr Materie in den Galaxien geben – eine Materie, die nicht sichtbar war, allerdings eine Gravitationswechselwirkung hatte. Die Theorie von der Existenz Dunkler Materie, damals noch „missing mass“ genannt, war geboren. Ein Großteil dieser Dunklen Materie wurde zwar später als Gas und Staub identifiziert, aber die zu schnell laufenden Sterne hat man bei Hunderten von Galaxien beobachtet. Die Idee hielt sich jedoch – einmal in die Welt gebracht – hartnäckig, auch wenn sie eigentlich naiv ist: denn man geht davon aus, dass das Gravitationsgesetz im Galaxienmaßstab gilt, obwohl diese millionenfach größer als das Sonnensystem sind.

Noch heute suchen Teilchenphysiker und Kosmologen nach dieser mysteriösen Dunklen Materie und es wurden auch neue, unerklärbare Phänomene gefunden, die mit ihr wunderbar erklärt – Verzeihung: verschoben – werden können. Eine hübsche Parallele zur Phlogiston-Theorie. Handelte es sich um einen Kinofilm, würde er wahrscheinlich den Titel „Viel Rauch um nichts – Reloaded“ erhalten.

Viel Rauch um nichts – Reloaded Reloaded

Die modernen Physiker haben sich aber mit der Problemverschiebung via Dunkler Materie nicht zufriedengegeben. Naturgemäß erzeugen solche Verschiebungen neue Probleme. So auch hier: Um das Verhalten von Galaxien und Galaxiehaufen mit Hilfe der Dunklen Materie erklären zu können, muss das Universum eine bestimmte Menge davon enthalten, die man in große Computersimulationen hineinsteckte. Ergebnis: ein völlig falsches Bild, man konnte die Entstehung von so viel Struktur im Universum nicht verstehen

Inzwischen wurde für das Problem der Strukturbildung wieder etwas neues erfunden, der sogenannte Bias. Was das ist? Keiner weiß es. Es ist die Verschiebung der Verschiebung sozusagen oder wenn Sie bei den Filmtiteln bleiben wollen: „Viel Rauch um nichts – Reloaded Reloaded“.

Wenn Ihnen das zu viel Rauch ist, kann ich Sie gut verstehen. Die Weigerung, etwas aus der Geschichte zu lernen, erscheint hier wirklich allzu hartnäckig. Interessanterweise ergibt die Kombination einer Idee von Einstein mit den Vorstellungen von Paul Dirac einen Erklärungsansatz, warum sich so viel Struktur im Universum gebildet hat: Vielleicht war die Gravitation im frühen Universum stärker.

Damit setze ich mich übrigens – unter anderem – in meinem neuen Buch „Einsteins verlorener Schlüssel: Warum wir die beste Idee des 20. Jahrhunderts übersehen haben“ auseinander.

DUNKEL WAR’S, DER MOND SCHIEN HELLE …

„Unser Universum besteht hauptsächlich aus dunkler Materie und dunkler Energie.“

Wie schön sicher das klingt. Dass bisher niemand dunkle Materie und dunkle Energie nachweisen konnte, scheint in der Physik wohl niemanden daran zu hindern, ihre Existenz als gegeben anzusehen. Dabei haben die Forscher die Existenz der beiden dunkeln Substanzen nur postuliert, um eine Diskrepanz zwischen dem nach der Gravitationstheorie erwarteten Verhalten von Galaxien und der tatsächlichen Beobachtung zu erklären.

Galaxien
Galaxien

Astronomen haben nämlich entdeckt, dass ab einem bestimmten Abstand vom Galaxiezentrum alle Sterne mit gleicher Geschwindigkeit um das Zentrum fliegen. Oder anders gesagt: Die äußere Sterne bewegen sich schneller als vom Gravitationsgesetz vorhergesagt.

Diese Diskrepanz wundert mich nun gar nicht so sehr. Wie soll sich denn ein Gravitationsgesetz, das auf der Erde gilt, auf das ganze Universum übertragen lassen – also in eine unvorstellbar größere Dimension?

Die Kosmologen wollten dieses Gesetz aber unbedingt beibehalten. War ja zunächst verständlich. Und deshalb suchten sie nach einem Ausweg für dieses Dilemma. Das Ergebnis: eine Materie, die die Forscher bisher noch nicht entdeckt haben, weil sie zwar Masse hat, also aktiv Gravitation ausübt, aber nicht nachgewiesen werden kann. Und davon gibt es im äußeren Bereich genau so viel mehr als im Inneren der Galaxien, dass sich die Sterne in Galaxien praktisch alle gleich schnell bewegen.

Kling logisch, oder?

Wenn Sie jetzt einmal von der Unplausibilität absehen, dass die Massenverteilung und Menge an dunkler Materie haargenau auf die Galaxie abgestimmt sein müsste, damit die Geschwindigkeiten in der Galaxie übereinstimmen, ergeben sich aus der Theorie der dunklen Materie noch ganz andere Probleme.

Um die Bildung der Galaxien im Universum zu erklären, muss man annehmen, dass die Dunkle Materie schon zur Frühzeit des Universums viel stärker konzentriert war als die normale – was natürlich eine völlig willkürliche Hypothese ist. Schließlich, um damit weitere Messungen zu „erklären“ nehmen die Kosmologie an, das Universum bestünde zu etwa 27 % aus dunkler Materie und zu knapp 68 % dunkler Energie. 95 % aller Substanzen im Universum hätte also noch kein Mensch jemals gesehen oder gemessen.

Entschuldigen Sie meinen ironischen Unterton, aber: Klingt logisch, oder?

Da freut es mich, wenn ich im Gegensatz dazu einen Satz lese wie den folgenden, zitiert aus Robert Sanders Buch The Dark Matter Problem: „Das wirkliche Problem ist: Dunkle Materie ist nicht falsifizierbar. Der Einfallsreichtum und die Einbildungskraft der theoretischen Physiker kann jeder astronomischen Nicht-Detektion mit der Erfindung neuer Kandidaten begegnen.“

Ziemlich gut auf den Punkt gebracht. Und das würde mich nicht so betrüben, würden nicht so unglaublich viele Forschungsgelder dafür ausgegeben werden, diesen dunklen Substanzen hinterherzujagen.

100 JAHRE FÜR DIE TONNE

a lady fly in zero gravity roomWenn Außenseiter nach ihrem Tode immer noch Außenseiter bleiben, sind ihre Ideen entweder zu wirr oder zu avantgarde.

Die vom großen Physiker Ernst Mach sind weder das eine, noch das andere. Warum sie dennoch in der Physik nur als Anekdote betrachtet werden, lässt tief blicken – in die Köpfe der heutigen Physiker.

Warum ich das meine? Ernst Mach hat sich unter anderem mit der Frage beschäftigt, wie er Newtons Gravitationsgesetz verbessern könnte. Das hat nämlich – dieser Meinung sind außer Mach auch andere bedeutende Physiker wie Paul Dirac und Robert H. Dicke – einen veritablen Pferdefuß. Anlass für Machs Kritik ist das sogenannte Eimer-Experiment von Newton und seine Folgerungen daraus.

Stellen Sie sich einen halbvoll mit Wasser gefüllten Eimer vor. Dieser Eimer beginnt nun zu rotieren wie ein Karussell. Was macht das Wasser im Eimer?

Richtig: Erstmal gar nichts. Es bewegt newtonsEimersich nicht. Irgendwann überträgt sich die
Bewegung des Eimers jedoch auf das Wasser und es beginnt, sich mit dem Eimer zu drehen. Dabei steigt es an den Wänden des Eimers hoch. Wenn Sie den Eimer nun anhalten, dreht sich das Wasser noch eine Weile weiter und die Wölbung seiner Oberfläche lässt nur mit der Zeit langsam nach.

Wie kann es sein, dass das Wasser nicht sofort auf die Bewegung des Eimers reagiert? Newton nannte dieses Verhalten „Trägheit“ und seine Schlussfolgerung war, dass es außer der Bewegung des Eimers noch einen zweiten Bezug geben müsse, der das Wasser beeinflusst.

Um diesen zweiten Bezug zu erklären, nahm Newton einen absoluten Raum an, der alles beinhaltet, aber selber nicht direkt beobachtbar ist. Nur seine Wirkung bekommen Sie zu spüren – zum Beispiel als die Kraft, die an Ihren Armen zieht, wenn Sie sich drehen oder die das Wasser an der Eimerwand emporsteigen lässt.

„Was für eine Idee,“ sagen Sie jetzt vielleicht. Physikern wie Albert Einstein oder eben auch Ernst Mach bereitete Newtons Schlussfolgerung jedoch einige Kopfschmerzen. Dieser absolute Raum ist nämlich nur sehr schwer nachzuweisen und hat deshalb gute Chancen, ein ewiges a priori zu bleiben. Bis heute kann jedenfalls niemand behaupten, er hätte einen Beweis für den absoluten Raum gefunden.

Ernst Mach hatte dazu jedoch eine geniale Idee: Statt einen absoluten Raum anzunehmen, der nicht nachweisbar ist, könnte die Trägheit doch dadurch zustande kommen, dass alle Massen im Universum auf das Wasser einwirken.

Albert Einstein kannte diese Idee und zog sie mit ins Kalkül, während er seine Relativitätstheorie entwarf. Die Trägheit nicht von einem absoluten Raum abhängig zu machen, würde ja auch hervorragend zur Idee der Relativität von Zeit und Raum passen. Damit wäre auch die Gravitation von den entfernten Massen im Universum  abhängig. Leider konnte er Machs Vorschlag trotzdem nicht vollständig in seine Theorie integrieren.

Wenn Sie heute also Machs Idee wiederaufleben lassen wollen, müssen Sie sehr wahrscheinlich sowohl Newtons Gravitation – den Grundstein der klassischen Mechanik – als auch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – den Grundstein der modernen Physik – überdenken. Das würde allerdings hundert Jahre etablierte Physik in Frage stellen, was nicht allen heutigen Physikern gefällt…

Und doch gibt es einige moderne Daten, die darauf hindeuten, dass Mach Recht hatte! Viele heute offene Fragen würden dann vielleicht geklärt.

 

Mit diesem faszinierenden Ansatz habe ich mich auch in meinem gerade erschienenen Buch „Einsteins verlorener Schlüssel – Warum wir die beste Idee des 20. Jahrhunderts übersehen haben“ beschäftigt. Wer es lesen möchte, findet es hier:
http://www.amazon.de/Einsteins-verlorener-Schlüssel-Jahrhunderts-übersehen/dp/1517045452/