Astrophysik

Jahrzehntelang war es unter Wissenschaftlern verpönt, über ihn zu reden. Aber seit kurzem ist der rätselhafte Äther plötzlich wieder ein Thema. Gibt es ihn wirklich? Und wozu brauchen ihn die Physiker überhaupt?

Seit Jahrzehnten brüten Astrophysiker über einem ungelösten Rätsel: Im All scheint es zu wenig Masse zu geben. Die sichtbare Materie allein reicht nämlich nicht aus, um durch ihre Schwerkraft das Auseinanderdriften der Sterne innerhalb einer Galaxie zu verhindern. »Dunkle Materie« nennen die Wissenschaftler die fehlende Masse, die es nach ihren Berechnungen eigentlich geben müsste. Woraus diese ominöse Materie allerdings bestehen soll, wie man sie je beobachten kann, davon hat man bis heute keine klare Vorstellung.

Doch womöglich brauchen wir dieses unsichtbare Etwas gar nicht. Dies glaubt zumindest der Physiker Glenn Starkman von der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio (USA). Nach seiner Theorie könnte ein längst in Vergessenheit geratenes, ja unter Physikern verpöntes Konzept das Mysterium auf verblüffend einfache Weise erklären: Der kosmische Raum zwischen Himmelskörpern, so Starkman, ist nicht leer, sondern von einem »Äther« erfüllt – von einer allgegenwärtigen Essenz, die den Raum stärker krümmt, als dies auf Grund der vorhandenen Massen der Fall wäre. Die stärkere Raumkrümmung bewirkt nach Einsteins Relativitätstheorie eine höhere Anziehungskraft zwischen den Massen, und damit wird das Konzept der »dunklen Materie« überflüssig.

Über eine unsichtbare und unfühlbare Substanz, die das ganze Universum durchdringt, haben sich die Menschen zu allen Zeiten Gedanken gemacht. Bereits die alten Griechen nannten dieses unsichtbare Etwas Äther; darunter verstanden sie unter anderem den Atem der Götter, das ewige unsichtbare Feuer, das fünfte Element und anderes mehr. Die Chinesen nennen diese allgegenwärtige Substanz »Chi«, die Japaner »Ki«, die Inder »Prana«, das polynesische Volk der Huna »Aka«.

Aber wozu braucht die moderne Physik so eine Substanz? Als die Naturforscher erkannten, dass die Natur von Kräften beherrscht wird, erhob sich sofort die Frage: Wie werden diese Kräfte übermittelt? Durch Stöße, meinten sowohl Descartes als auch Newton, die Begründer der modernen Naturwissenschaft. Dann muss es aber auch etwas geben, was den leeren Raum zwischen den Körpern ausfüllt, damit diese Stöße übertragen werden können.

Richtig in Fahrt kamen die Äther-Ideen, als zu Beginn des 19. Jahrhunderts für die Physiker feststand, dass Licht eine Wellenerscheinung ist. Wellen sind nämlich Schwingungen, die sich in einem Medium fortpflanzen. Welches Medium aber benutzt das Licht für seine Bewegung? Den Äther, folgerten die Physiker, genauer gesagt: den Licht-Äther. Doch damit fingen die Probleme erst an.

Zunächst: Eine Welle ist immer eine Störung eines Ruhezustands in einem elastischen Medium. Beispiel: Die Wasseroberfläche eines stillen Tümpels liegt glatt und bewegungslos da; sobald sie gestört wird – etwa durch einen hineingeworfenen Stein –, beginnt sich diese Störung in alle Richtungen fortzupflanzen. Nun gibt es zweierlei Arten von Wellen. Bei der ersten breitet sich die Störung in der Störungsrichtung aus; man nennt sie longitudinal (also: in Längsrichtung) – dazu gehört die Fortpflanzung des Schalls in der Luft. Bei der zweiten Art von Wellen schwingt das Medium senkrecht zur Störung, darum nennt man sie transversal. Dazu gehören Wasserwellen: Der Stein fällt senkrecht auf die Wasseroberfläche, die Welle aber läuft waagerecht davon. Auch Lichtwellen sind transversal.

Das Medium, in dem tranversale Wellen möglich sind, muss eine gewisse Elastizität, zugleich aber Zähigkeit und Steifigkeit besitzen, sonst könnte es nicht gegen die Störung verdreht schwingen. Je zäher das Medium, desto schneller die Welle. Und jetzt wird das Äther-Konzept widersprüchlich: Da der Äther transversale Lichtwellen zulassen muss und Licht außerordentlich schnell ist, sollte er auch extrem steif und dicht sein – und gleichzeitig außerordentlich dünn und durchdringend. Beides zugleich ist aber unmöglich!

Dabei hatte James Clerk Maxwell, der den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus fand, schon äußerst detaillierte Vorstellungen von einem Äther entwickelt, in welchem Licht und andere elektromagnetische Wellen schwingen könnten. Bei ihm bestand der Äther aus einer Vielzahl ineinander drehbarer Teilchen – Rädchen, Schläuche, Knoten –, deren komplexes Zusammenspiel die Übertragung von elektrischen und magnetischen Kräften ermöglichen sollte. Wie unsinnig seine Vorstellungen waren, erkannte Maxwell selbst, und so präsentierte er seine Gleichungen schließlich ganz ohne Äther.

Doch es wurde noch schlimmer. Wenn es einen Äther gäbe, so folgerten die Physiker, müsste er von der Erde mitgerissen werden, wenigstens teilweise – so wie Luft mitgerissen wird, wenn wir mit dem Auto fahren. Dann müsste man diesen »Ätherwind« auch messen können. Doch die Experimente von Albert Abraham Michelson und Edward Morley (ab 1887) ergaben keinen Hinweis auf einen solchen »Wind« – und zwar in keiner Richtung. So jedenfalls steht es in allen Büchern, obwohl die beiden Gelehrten ihr »Nullergebnis« etwas vorsichtiger formuliert hatten: Auf Grund der Messungenauigkeiten sei ein möglicher Ätherwind auf jeden Fall kleiner als 10 km/s. Ihre Experimente sollten später dennoch zum Sargnagel für alle Äther-Theorien werden.

Gleichwohl blieb das 19. Jahrhundert erfüllt von der Idee, dass ein unsichtbares Etwas den leeren Raum erfüllt – sie tauchte in veränderter Form immer wieder auf. Schon Michael Faraday hatte den Begriff des »Feldes« ausgeheckt, eine Art Spannungszustand des Raums. Der leere Raum habe bestimmte Eigenschaften und wirke auf Körper. Das behaupten auch heute noch die Quantenphysiker, denn bei ihnen ist das Vakuum – per Definition ein absolut leerer Raum – keineswegs wirklich leer: Wahlweise füllt ihn ein Meer aus negativen Elektronen, die »Nullpunktenergie«, »Vakuumfluktuationen«, »Quantenschaum« und andere Phänomene der subatomaren Welt. Um einen echten Äther im klassischen Sinn handelt es sich dabei aber nicht. Denn der Äther der Physiker hatte ganz spezifische Aufgaben: Er sollte Kräfte übertragen und für die Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen und Gravitationswellen sorgen.

Die letzten »echten« Äther-Theorien (um 1900) waren wunderbar kompliziert – sie arbeiteten mit Strudeln im Nichts. Damit konnten sie sogar Anziehung und Abstoßung von Teilchen erklären. Der Äther: eine Ansammlung von Wirbeln und Knoten – schon Descartes hatte sich so etwas ausgedacht. Mathematisch untersucht wurden Knotenwirbel dann von Hermann von Helmholtz und William Thomson (Lord Kelvin) um 1900. Seitdem tauchten sie immer wieder in der Literatur auf: Mathematiker und Physiker waren fasziniert von ihren Eigenschaften. Mit ihnen konnte man abstoßende und anziehende Kräfte ebenso erklären wie die »Quantelung« der Mikrowelten, wo nur bestimmte Energiestufen möglich sind, Zwischenstufen dagegen nicht. Helmholtz war erstaunt über ihre Stabilität in Flüssigkeiten und Gasen (man denke an Rauchwirbel oder den Großen Roten Fleck des Planeten Jupiter, der nichts anderes darstellt als einen jahrhundertealten Wirbelsturm). Kelvin machte sie sogar zur Grundlage des leeren Raums. Ihr Vorteil: Beliebige Gestalten dieser Wirbel haben alle gewünschten Eigenschaften. Ihr Nachteil: Es gibt zu viele Möglichkeiten, wie sich solche Wirbel miteinander verknoten können. Und warum Licht senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung schwingt, können sie auch nicht erklären.

In das Äther-Thema kam nochmals Bewegung durch Michelsons Mitarbeiter Dayton Miller, der dessen Versuche zum Ätherwind fortsetzte. Nach 200000 einzelnen Messungen veröffentlichte er 1933 seine Ergebnisse: Demnach gibt es über alle Tages- und Jahreszeiten hinweg einen konstanten Ätherwind von rund 10 km/s aus der Richtung des südlichen Sternbilds »Dorado«. Selbst Einstein konnte diese Versuche nicht mehr ignorieren. In einem Brief an einen Freund äußerte er die Furcht: »Ich glaube, ich habe jetzt die wirklichen Zusammenhänge zwischen Gravitation und Elektrizität gefunden, vorausgesetzt, die Miller’schen Experimente beruhen auf einem grundlegenden Irrtum. Sonst bricht die ganze Relativitätstheorie wie ein Kartenhaus zusammen.«

Millers Messungen wurden nie wiederholt, sondern von der Gelehrtenwelt ignoriert. Die empfand nämlich Einsteins Vorschlag als Erlösung, den Äther völlig abzuschaffen und nicht mehr weiter darüber nachzudenken.

Dabei war Einsteins Furcht vor Millers Ergebnissen überflüssig gewesen, denn in seiner Speziellen Relativitätstheorie (1905) brauchte er gar keinen Äther, weil er da mit Lichtstrahlen arbeitete. Diese bestehen aus Lichtteilchen, die nur einen möglichst leeren Raum brauchen, um davonzueilen. Aber dann vollzog selbst Einstein so etwas wie eine Kehrtwende. In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (1915) dachte er den Raum stetig und mit einem Gravitationsfeld erfüllt – also doch wieder eine Art Äther, was er sogar zugab. Einstein und seine Nachfolger nannten dieses Medium, das auch Gravitationswellen überträgt, »kosmisches Fluid«, was natürlich nichts über seine Beschaffenheit sagt. Oder darüber, ob man es nicht doch »Äther« nennen darf.

Das alles ist Vergangenheit. Heute erlebt die ehrwürdige Äther-Idee eine Renaissance in der modernen Physik.

Der Forscher Menahem Simhoy von der Hebräischen Universität in Jerusalem (Israel) hat eine Theorie entwickelt, die in genialer Weise die widersprüchlichen Äther-Eigenschaften – gleichzeitig dicht und dünn – miteinander verknüpft. Der Physiker sieht den leeren Raum mit einem höchst stabilen, aber durchlässigen Gitter ausgestattet. Vorbild war ihm der Kochsalzkristall (Natriumchlorid), ein einfaches Würfelmuster. Simhoy nennt sein Raumgitter »Epola«, weil es aus Elektronen (E-) und Positronen (Po-) besteht und »Gitter« im Englischen »lattice« (La) heißt.

Das klingt zunächst seltsam: Denn ein Kristallgitter ist in Wirklichkeit gar nicht durchlässig, obwohl es fast ausschließlich aus leerem Raum besteht. Zwei Gründe verhindern das gegenseitige Durchdringen von Materie: Erstens stoßen die elektrisch negativ geladenen Elektronen der Atomhülle andere Atome ab, denn auch diese haben Elektronenhüllen mit negativ geladenen Elektronen. Zweitens – wenn das Bohr’sche Atommodell stimmt – umkreisen Elektronen mit wahnwitziger Geschwindigkeit den Kern und bilden somit eine Art »Geschwindigkeitsmauer«. All das fällt beim Epola-Gitter weg: Es ist elektrisch neutral, stößt nichts ab, zieht nichts an. Zudem gibt es keinen »Wind« bei Störungen: nur Schwingungen beziehungsweise Wellen. Und das sind genau die Wellen, die der Quantenphysiker Louis de Broglie in den 1920er Jahren als »Materiewellen« vorausgesagt hat!

Schließlich können Teilchen das Epola auch deshalb sehr einfach durchdringen, weil sich beim Zusammenstoß eine Welle bildet, die einen Kanal ins Gitter fräst: Es biegt sich leicht auseinander, das Teilchen kann ungestört durchfliegen. Aber nur so lange, wie es seine Geschwindigkeit beibehält. Sobald es diese ändert – oder auch seine Richtung –, wird das Gitter wieder fester: Es gibt einen Widerstand. Somit erklärt der neue Äther die Trägheit von Massen! Und auch die Massenzunahme bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit, siehe Relativitätstheorie, lässt sich damit ebenfalls einfach begründen: Der Widerstand des Gitters bei hohen Geschwindigkeiten wird größer.

Und weil das Epola-Gitter hunderttausendmal fester als der festeste Stoff ist, können sich transversale Wellen gut ausbilden: Die winzigen Gitterzellen sorgen für hohe Stabilität, sodass sich Wellen mit großer Geschwindigkeit ausbreiten können. Simhoys Äther steht im Einklang mit Einsteins Relativitätstheorie. Sein Konzept dürfte deshalb der alten Idee wieder neues Leben einhauchen und die Diskussion über den Äther neu beleben.

Damit wäre nicht nur den Physikern geholfen, auch unsere Sicht auf die Welt wäre damit gestützt. Im abendländischen Denken scheint nämlich eine Furcht vor dem leeren Raum, ein geistiger »Horror Vacui«, vorzuherrschen. In der Malerei wird jeder Flecken Leinwand übermalt und nochmals übermalt. In der ostasiatischen Malerei dagegen finden wir den Mut zur Leere – weiße Flächen, bewusst freigelassen. In der abendländischen Musik gibt es kaum Pausen; und wenn, dann langweilen wir uns. Und was unsere Vorstellungen vom Universum betrifft: Auch sie waren überwiegend davon geprägt, keine Leere aufkommen zu lassen. Was machen wir, wenn sich Simhoys Theorie letztlich doch als nicht haltbar erweist? Wer füllt dann unsere Leere?