Im Zentrum der Welt

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Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

In der Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters vom 4. Juli erweckte ein theoretischer Artikel mit dem Titel A General Test of the Copernican Principle meine Aufmerksamkeit. Es geht dort um experimentelle Tests des Kopernikanischen Prinzips, der Annahme also, dass wir nicht an einem besonderen Punkt im Universum (dem Zentrum) leben, sondern der Kosmos von jedem Punkt gleich aussieht. Ist nicht kaum etwas ist in der Kosmologie so unbestritten, wie diese Vermutung? Muss man das noch experimentell überprüfen?

Natürlich muss man, wenn man sich keinen Dogmatismus vorwerfen lassen will. Die Autoren aus Kapstadt geben beobachtbare Parameter an, anhand derer man feststellen kann, ob das Prinzip vielleicht doch verletzt ist. Hierbei beziehen sie sich auf kosmologische Modelle der allgemeinen Relativitätstheorie. Das ist nicht mein Spezialgebiet, so dass ich nur interessiert zur Kenntnis nehme, welche Schlüsse man aus reinen Beobachtungen ziehen kann. Aber zunächst zur Historie.

Wir modernen Westeuropäer sind es gewohnt die Geschichte grob in dunkles Mittelalter und helle Neuzeit zu unterteilen (wobei für viele die Antike in die Neuzeit zu gehören scheint). Eine der entscheidenden Neuerungen der Neuzeit ist die Kopernikanische Wende. Wir Menschen begriffen nur langsam, dass die Erde nicht fest im Zentrum des Universums verankert ist und dass wir nicht im Mittelpunkt stehen. Kopernikus’ sonnenzentriertes Weltbild wurde nicht nur aus religiösen Motiven abgelehnt, auch die Datenlage aus astronomischen Beobachtungen in aller Welt stand dagegen. So nehmen wir die Sterne nur als Punkte wahr. Selbst mit Teleskopen ist es nicht möglich Strukturen der Fixsterne auszumachen. Damit war es aber unmöglich die Entfernung der Sterne abzuschätzen und es lag nahe, sie in einem harmonischen Abstand zur Bahn des äußersten bekannten Planeten, des Saturn anzunehmen. Die Annahme aber, dass die Fixsternsphäre direkt an unserem Planetensystem anschließt, macht es notwendig die Erde im Mittelpunkt anzunehmen. Beobachtungen zeigen nämlich keine sichtbare Paralaxe. Aufgrund der Bewegung der Erde um die Sonne, müssen sich die relativen Positionen der Sterne mit der Jahreszeit systematisch ändern. Das tun sie auch, aber der Betrag der Paralaxe ist so klein, dass sie nicht mit bloßem Auge erkennbar ist und für weit entfernte Objekte auch heute noch nicht messbar ist. Kopernikus hat zeigen müssen, warum man die Paralaxe nicht sieht. Und die Antwort darauf war: Weil die Sterne viel weiter entfernt sind als vermutet. Die Erde befindet sich nicht im Zentrum der Rotation, aber im vergleich zum Abstand der Sterne ist der Abstand zwischen Sonne und Erde sehr klein.

Diese Vergrößerung des Universums ist aus meiner Sicht der wichtigere Punkt der Koperikanischen Wende. Den Mittelpunkt von der Erde in die Sonne zu verlegen, hätte das physikalische Weltbild nicht wesentlich geändert. Dass die Sterne so weit weg sind, dass sie als Sonnen eigene Planeten beherbergen können, war die eigentliche Revolution.

Heute wissen wir sicher, dass auch die Sonne nicht fest steht. Sie kreist als Stern zusammen mit unseren Nachbarsternen um das Zentrum der Milchstraße und auch die Milchstraße als ganzes markiert nicht den Weltmittelpunkt. Wir kennen zahlreiche Schwestergalaxien, die zweifellos mindestens Gleichberechtigt sein sollten. Aus diesem Grund liegt es nahe anzunehmen, dass es gar keinen Mittelpunkt der Welt gibt. Der Kosmos sieht vermutlich von jedem beliebigen Punkt ähnlich aus. Aber kann das mehr als eine Vermutung sein, kann man das experimentell überprüfen? Könnte es nicht sein, dass unsere lokale Gruppe von Galaxien nicht genau im Zentrum aber doch nahe des Zentrums liegt? Die offensichtlichen Beobachtungen lassen sich mit dieser Annahme ebenso erklären, wie Kopernikus die Unbeweglichkeit des Fixsternhimmels damit erklärte, dass die Erde fast, aber nicht ganz im Zentrum der jährlichen Rotation liegt.

Wir nehmen in jede Richtung die gleiche Zunahme der Rotverschiebung mit der Entfernung der Strukturen wahr. Wir sehen das “Nachleuchten des Urknalls”, den Mikrowellenhintergrund in jede Richtung sehr exakt mit der selben Temperatur. Kurz: Der Kosmos sieht kugelförmig aus. In ihrer Veröffentlichung zeigen Chris Clarkson, Bruce Bassett und Teresa Hui-Ching Lu aus Kapstadt nun, wie man mit Messungen der Raum-Zeit-Krümmung in Abhängigkeit von der Rotverschiebung herausbekommen kann, ob das Universums um uns herum nur beinahe Kugelförmig ist und wir uns fast im Zentrum befinden oder ob es homogen, also  überall gleichförmig ist, wir uns also an keinem irgendwie ausgezeichneten Ort befinden. Meines Erachtens eine spannende Frage.

Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

10 Kommentare

  1. Ja…

    …wir können heute wahrscheinlich kaum mehr nachvollziehen, wie diese Entdeckung von Kopernikus das Weltbild veränderte!

    Wobei er faszinierende Vorläufer hatte! So vertrat Kardinal Nikolaus von Kues bereits im 15. Jht. aufgrund theologischer Überlegungen eine Kosmologie der Unendlichkeit, in der die Erde nur ein Planet unter unzähligen anderen sei und es Leben auch andernorts gebe. Auch Giordano Bruno dachte anderthalb Jahrhunderte später in diese Richtung.

    Einen faszinierenden Vortrag von Prof. Kather dazu hier:

    http://www.akademie-rs.de/…pdf_archive/khr46.pdf

    (S. 17 ff.)

    Viel Freude beim Entdecken! Ich hab gestaunt…

  2. Freude und leise Kritik bzw. Anmerkungen

    Sehr geehrter Herr Schulze,

    ich habe mich über ihren Beitrag sehr gefreut, insbesondere deswegen, da sie eine aktuelle Meldung nutzen, um auf das schöne Gebiet der Wissenschaftsgeschichte einzugehen.

    Ich habe mir erlaubt, in meinem Blog (http://philosophieblog.de/…x.php/2008/07/22/p276) einen Artikel als Antwort bzw. Ergänzung zu schreiben. So finde ich Ihre Gleichsetzung von Kopernikanischem und Kosmologischen Prinzip nicht sehr glücklich, ebenso wie manch andere Vereinfachung (Einwände gegen Kopernikus). Meine Antwort soll dabei nicht als Kritik, sondern weiterführende Information verstanden werden.

    Herzliche Grüße
    Thomas Heichele

  3. kleine Ergänzung

    Sehr geehrter Herr Schulz,

    in der Tat ist es erwähnenswert, dass die Unendlichkeit des Weltraums und Vielzahl lokaler Welten beispielsweise auch von Giordano Bruno behauptet wurde, in einer naturgemäß spekulativen, doch dessen ungeachtet eindrucksvollen Weise. Vielleicht kann man sogar manche Gedanken der griechischen Atomisten in dieser Richtung deuten. Kopernikus wurde ja offenbar vor allem vom Gedanken einer konsistenten Physikalisierung des Weltbildes angetrieben, die als (vielleicht ungewollten, denn er war eher konservativ) Nebeneffekt unter anderem die Fixsterne so weit wegrückte, dass sie gerade deshalb ihren himmlisch-immateriellen Charakter verlieren konnten, den sie in den kristallinen, vielfach ineinandergeschachtelten Sphären hatten; diese mussten ja selbst aus wunderbarem Stoff bestehen, um sich so abenteuerlich bewegen zu können. Martin Carrier hat diese Zusammenhänge sehr schön herausgearbeitet.

    Ich frage mich, ob es nicht angebracht ist, bezüglich der Formulierung vom „Zentrum“ Vorsicht walten zu lassen. Nimmt man etwa das übliche Bild eines zweidimensionalen, als Kugelfläche gekrümmten Raumes zur Illustrierung eines dreidimensionalen gekrümmten Raumes, so ist denkbar, dass sich die Krümmung der Oberfläche durchweg gleichmäßig ändert und somit ein homogener Raum vorliegt und erhalten bleibt, oder dass sie sich lokal unterschiedlich ändert und damit den Charakter einer geschlossenen, von der Kugelform abweichenden Oberfläche aufweist. Natürlich könnte man beispielweise eine Stelle starker Krümmung oder geringer relativer Krümmungsänderung, was auch immer, die von solchen anderer Krümmung oder relativer Krümmungsänderung umgeben ist, als (lokalen) Mittelpunkt interpretieren. Man sollte aber wohl im Auge behalten, dass die Kugelfläche – um im Bild zu bleiben – auch in diesem Fall genau genommen immer noch keinen wirklichen, absoluten Mittelpunkt hat. Dies gilt erst recht, wenn man bedenkt, dass der Beobachtungshorizont nur einen Teil der Oberfläche umfasst und somit Extrapolation involviert ist – mit ihren unvermeidbaren Vorannahmen und Unwägbarkeiten (man denke nur an das Problem der kosmologischen Konstante, dunklen Materie etc.). Es könnte ja, weit genug entfernt, andere solcher Imhomogenitäten geben, die den gleichen Anspruch erheben könnten.

    Diese Überlegungen scheinen mir darauf hinzudeuten, nach Möglichkeit bei der puren Deskription lokaler Inhomogenitäten stehenzubleiben und mit weitergehenden Interpretationen sehr vorsichtig zu sein. Ich vermute, dass die Überlegungen nicht für das genannte einfache Modellbeispiel eines geschlossenen Raumes spezifisch sind, sondern auch Räume anderen Typs umfassen; allerdings liegt meine Beschäftigung mit der Mathematik und Physik der Allgemeinen Relativitätstheorie und Kosmologie schon etliche Jahre zurück. Die Rede vom Zentrum könnte im Übrigen leicht Missverständnisse in der Szene weltanschaulicher Interpreten begünstigen, wie die Diskussion um das anthropische Prinzip zeigt. Im Falle einer nachweisbaren lokalen Inhomogenität – das wäre spannend genug – bliebe vermutlich die insgesamt sparsamste Annahme immer noch die der Homogenität im Globalen, erst recht wenn man den weitergefassten Rahmen von Multiversen-Theorien etc. betrachtet.

    Soweit tragfähig, mögen diese Gedanken eine hilfreiche Ergänzung Ihrer Ausführungen sein. In jedem Falle großen Dank für Ihren schönen und klaren Beitrag zu diesem Thema.

    Mit freundlichen Grüßen

    Rudolf A. Jörres

  4. Danke

    Lieber Herr Heichele,

    vielen Dank für den ausführlichen Beitrag in ihrem Blog. Tatsächlich war meine Darstellung ja recht einseitig auf den Aspekt der Ausdehnung des Universums ausgelegt und ich habe tatsächlich das Kopernikaische mit dem Kosmologischen Prinzip gleichgesetzt. Auf den Aspekt der Trägheit gehe ich auf einigen meiner Websites zur Relativitätstheorie ein. Aber sicher nicht so detailliert, wie Sie das können.

    Gruß,
    Joachim Schulz

  5. Mittelpunkt

    Hallo Herr Jörres,

    Auch Ihnen einen herzlichen Dank für die Ergänzung. Tatsächlich sprechen Sie mit den möglichen lokalen Inhomogenitäten eine dritte Möglichkeit an, nach der wir uns nicht im Zentrum des Kosmos sondern lediglich im Zentrum unserer Lokalen “Weltenblase” befinden.

    Gruß,
    Joachim Schulz

  6. Urknall

    Urknall
    Sicher bin ich nicht berufen, zu diesem Thema Erklärungen abzugeben. Aber in diesem Zusammenhang stellen sich mir einige Fragen.
    Wird der Urknall bezweifelt? Wenn nein, so ist doch der Explosionsmittelpunkt der Mittelpunkt unseres Universums – oder?
    Unser Universum fliegt mit fast Lichtgeschwindigkeit seit mehr als 17 Milliarden Jahren von diesem Mittelpunkt aus nach allen Seiten weg.
    Alle Seiten können wir daher nicht sehen. Unsere Antipoden fliegen ebenfalls mit fast Lichtgeschwindigkeit vom Mittelpunkt weg, genau wir. Macht in der Summe fast 600.000 km in der Sekunde. Das Licht bringt es nur auf 300.000 Km/s.
    Meine Frage nun, sofern dies unbestritten ist: Wenn wir einen Lichtstrahl entgegengesetzt des Urknalls aussenden, so muss er sich bezogen auf den Mittelpunkt unseres Universums mit 600.000 Km/s fortbewegen. Also unsere Erde bewegt sich mit fast Lichtgeschwindigkeit vom Explosionsherd weg + 300.000 Km/s Lichtgeschwindigkeit = 600.000 Km/s. Die Geschwindigkeit des Lichtes soll aber angeblich immer konstant sein.
    Leuchten wir mit der Taschenlampe dagegen zum Explosionsmittelpunkt, so müssten wir meiner unmaßgeblichen Meinung nach feststellen, dass das Licht, bezogen auf den Mittelpunkt des Universums Standfußball spielt. Wir also mit 300.000 weg vom Zentrum minus Lichtgeschwindigkeit = Das einzige Objekt also, das nahezu an Ort und Stelle verharrt.
    Wir hingegen, die felsenfest auf Unverrückbarkeit unseres Standpunktes beharren, drehen uns mit der Erde mit ca. 450 m in der Sekunde um uns selbst, auf der Bahn um die Sonne herum mit 3000 Km/s, diese wiederum mit 30.000 Km/s um den Mittelpunkt unserer Galaxie, und diese wiederum mit 300.000 Km/s vom Explosionsmittelpunkt weg.
    Erst wenn ich auf der Kirmes in die wilde Maus steige wird mir besser, es scheint, das himmlische Karussell wird hierdurch deutlich kompensiert.

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  8. Der mittlerweile emeritierte Professor Michael Longo der University of Michigan und der Astrophysiker Lior Shamir der Lawrence Technological University haben aufgrund von 15.158 und 126.501 Galaxien umfassenden Stichproben herausgefunden, dass es eine bevorzugte Drehrichtung von Galaxien gibt und daraus geschlossen, dass das Universum rotiert: Wenn sich 100 Galaxien in die eine Richtung drehen, drehen sich 107 Galaxien in die entgegengesetzte.
    Dass sich aufgrund einer (minimal) bevorzugten Drehrichtung in einer Stichprobe von Galaxien auf eine Gesamtrotation des Universums schließen lässt, kann ich mir aus folgendem Analogieschluss heraus nicht vorstellen: Erkunde ich die Drehrichtungen aller Tief- und/oder Hochdruckgebiete des Planeten Erde, dann werde ich ungefähr auf ein ausgeglichenes Verhältnis beim Drehsinn kommen, wobei ein Überhang eines Drehsinns wegen der unterschiedlichen Orografien der beiden Erdhalbkugeln schon möglich ist, z. B. zyklonale Verwirbelungen im Lee Grönlands und der Alpen: Islandtief, Italientief. Bei einer gleichförmigen Planetenoberfläche wäre das Verhältnis der Drehrichtungen im zeitlichen Mittel aber genau ausgeglichen. Aus dieser Ausgeglichenheit zu schließen, dass die Erde nicht rotiert, wäre aber falsch. Aus der Verwirbelung von Strömungen (Coriolis-Trägheitskreis) lässt sich hingegen sehr wohl auf die Rotation der Erde schließen. Das Universum ist voll von Verwirbelungen, woraus ich schließen würde, dass das Universum rotiert.

    Was meinen Sie, Herr Dr. Schulz?

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