Die Astronomen der Neuzeit

Hubble studierte Physik und Astronomie in Chicago und beendete dies 1910 mit dem Abschluss als Bachelor of Science. Anschließend verließ er die USA zum Studium der Rechtswissenschaften in Oxford, wo er als Master abschloss und nach drei Jahren in die USA zurückkehrte.


Nachdem er schon 1912 als Student an der Flagstaff-Sternwarte erste Erfahrungen mit der Relativgeschwindigkeit des Andromedanebels zum Milchstraßensystem gemacht hatte, konnte er 1923 am Mount-Wilson-Observatorium nachweisen, dass der Andromedanebel weit außerhalb der Galaxis liegt. Die Ergebnisse seiner Beobachtungen und Berechnungen, Cepheids in Spiral Nebulae, legte er zur Jahreswende 1924/25 der Jahrestagung der US-amerikanischen Astronomenvereinigung AAS vor, auf der sie am 1. Januar 1925 verkündet wurden.


Aufgrund der räumlichen Verteilung anderer Galaxien, sowie ihrer im Spektrum mit Hilfe von Milton Humason nachgewiesenen Rotverschiebung, entdeckte Georges Lemaître die Expansion des Weltalls (Juni 1927, zwei Jahre vor Hubbles Veröffentlichung 1929 über die Rotverschiebung, in der kein Wort über eine Expansion des Weltalls steht). Auch Hubble stellte einen linearen Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung und der Verteilung extragalaktischer Nebel fest, hatte aber zunächst keine Erklärung dafür. Dennoch wird Lemaîtres Entdeckung häufig Hubble zugeschrieben.


Hubble entdeckte, dass die Spektren verschiedener Galaxien nicht etwa zu gleichen Teilen ins Rote oder ins Blaue verschoben sind, sondern, dass es erheblich viel mehr rotverschobene Spektren gibt. Aus dem Dopplereffekt lässt sich daher ableiten, dass sich fast alle beobachteten Galaxien von uns entfernen. Damit nicht genug, entdeckte Hubble auch einen direkten proportionalen Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung und der Entfernung der beobachteten Galaxie, was bedeutet, dass sich eine Galaxie umso schneller von uns fort bewegt, je weiter sie entfernt ist.


Die Größe, welche diese Expansion beschreibt, wird ihm zu Ehren die Hubble-Konstante genannt. Sie beträgt nach aktueller Messung durch WMAP im Jahr 2003 71±4 km/s pro Megaparsec (1 Megaparsec ~ 3,26 Millionen Lichtjahre), was einem Alter des Weltraums von 13 bis 14,5 Milliarden Jahren entspricht.


Hubble hat ebenfalls die Hubble-Sequenz, ein morphologisches Ordnungsschema für Galaxien entwickelt. Außerdem ist er auch Entdecker des Asteroiden Cincinnati am 30. August 1935.


Am 28. September 1953 starb Hubble mit 63 Jahren, während er für mehrere Beobachtungsnächte auf dem Palomar-Observatorium die Vorbereitungen traf, an einem Schlaganfall.

Der Schüler von Niels Bohr und Ernest Rutherford war Professor in Leningrad, Washington, D.C. und Boulder (Colorado) und entwickelte ein eigenes, nach ihm benanntes Atommodell. Seine Arbeiten über die Theorien des Alphazerfalls von Atomkernen (Tunneleffekt), der thermonuklearen Reaktionen, der Entstehung der Sterne und der Elemente (Alpher-Bethe-Gamow-Theorie) sowie des Betazerfalls wurden weltweit beachtet.


George Gamow war einer der Begründer der Theorie eines Urknalls und des sich ausdehnenden Weltalls und entwickelte dazu 1948 ein erstes Konzept über einen heißen Anfang des Universums. Schon 1946 sagte er die Kosmische Hintergrundstrahlung engl. cosmic microwave background radiation, CMBR voraus, die dann 1964 entdeckt wurde.


Außerdem war Gamow Mitbegründer des „RNA Tie Club". Dieser Club hatte es sich zur Aufgabe gemacht, das Geheimnis des „RNA-Aminosäuren"-Codes zu knacken. Diesem Club gehörten so namhafte Persönlichkeiten wie Francis Crick und James D. Watson, die Entdecker der Doppelhelixstruktur der DNA, und der Physiker Richard Feynman an.


Daneben war Gamow auch publizistisch tätig und schrieb einige populärwissenschaftliche Bücher über atomphysikalische und kosmologische Phänomene, die sogenannte Mr. Tompkins-Reihe.

Lemaître stellte seine Ideen auf einem Kongress in London vor, der sich mit dem Ursprung des Universums und der Spiritualität beschäftigte.
Er beschrieb seine Vorstellungen vom Ursprung des Universums als Uratom, „ein kosmisches Ei, das im Moment der Entstehung des Universums explodierte".
In diesem Uratom soll die gesamte heute im Universum vorhandene Materie zusammengepresst gewesen sein.
Er zog dabei unter anderem die Rotverschiebung weit entfernter Galaxien heran. Seine Kritiker bezeichneten danach die Theorie als Urknalltheorie oder Big Bang. Eddington und auch Einstein lehnten sie zuerst ab, weil sie ihrer Meinung nach zu sehr an die christliche Vorstellung von der Erschaffung der Welt angelehnt war und weil sie vom physikalischen Standpunkt viele Unschönheiten hatte, wie beispielsweise Singularitäten.
Der Streit darüber hielt über mehrere Jahrzehnte an.
Lemaître gelang es schließlich, Einstein auf einer Reise nach Kalifornien von seiner Theorie zu überzeugen, nachdem er sie ihm in allen Einzelheiten dargelegt hatte.


Auf einer Tagung im November 1951 akzeptierte die Päpstliche Akademie der Wissenschaften Lemaîtres Theorie. Papst Pius XII. führte in einem abschließenden Vortrag aus, der mit dem Urknall zeitlich festlegbare Anfang der Welt sei einem göttlichen Schöpfungsakt entsprungen.

Strahlungsgesetz und Quantentheorie; Relativitätstheorie


Ab Mitte der 1890er Jahre beschäftigte sich Planck mit Strahlungsgleichgewichten und der Theorie der Wärmestrahlung und versuchte, die Strahlungsgesetze aus thermodynamischen Überlegungen heraus abzuleiten. Am 14. Dezember 1900 präsentierte er der Physikalischen Gesellschaft eine Formel, die die Strahlung Schwarzer Körper korrekt beschrieb.
Die bis dahin gefundenen Formeln, das wiensche Strahlungsgesetz und das Rayleigh-Jeans-Gesetz, konnten jeweils nur einen Teil des Strahlenspektrums ohne Abweichungen wiedergeben.
Im Zuge der Arbeit an seinem Strahlengesetz gab Planck seine Vorbehalte gegen eine atomistisch-wahrscheinlichkeitstheoretische Betrachtung der Entropie auf. Gleichzeitig legte er den Grundstein für die Quantenphysik, als er für die Oszillatoren,
die in seiner Modellvorstellung für die Strahlung verantwortlich waren, nur bestimmte, diskrete Energiezustände erlaubte.
Im Rahmen dieser Arbeit führte Planck auch das plancksche Wirkungsquantum, eine fundamentale Naturkonstante, in die Physik ein.


Die Planck-Zeit beschreibt das kleinstmögliche Zeitintervall, für das die bekannten Gesetze der Physik gültig sind. Sie ergibt sich aus der Zeit, die Licht benötigt, um eine Planck-Länge zurückzulegen. Benannt wurde sie nach Max Planck.


Bei kleineren Zeitintervallen verliert die Zeit wahrscheinlich ihre vertrauten Eigenschaften als Kontinuum (Physik). Sie würde quantisieren, d. h. Zeit liefe unterhalb der Planck-Zeit in diskreten Sprüngen ab. In Anwendung der derzeitigen physikalischen Gesetze würde jedes Objekt, das einen Vorgang kürzer als in Planck-Zeit durchlebt, zu einem schwarzen Loch kollabieren, was von Physikern als Zeichen der Unvollständigkeit der derzeitigen physikalischen Gesetze gedeutet wird.


Sie begrenzt daher auch den ersten Zeitpunkt nach dem Urknall, der physikalisch beschrieben werden kann.


Die Suche nach einer Theorie der sog. Quantengravitation gehört zu den größten Herausforderungen der physikalischen Grundlagenforschung.

Von ersten Veröffentlichungen bis zur berühmten Formel E = mc²
1905 Hauptartikel: Geschichte der speziellen Relativitätstheorie


Im Jahr 1905, im Alter von 26 Jahren, veröffentlichte er einige seiner wichtigsten Werke.


Am 17. März 1905 beendete er seine Arbeit Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Gesichtspunkt zum photoelektrischen Effekt, die am 18. März bei den Annalen der Physik einging.
Am 30. April 1905 reichte er an der Universität Zürich bei den Professoren Kleiner und Burkhardt seine Dissertation ein, die den Titel trug:
Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen.
Hierfür erhielt er am 15. Januar 1906 den Doktortitel in Physik.
Am 11. Mai 1905 folgte seine Arbeit Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen zur brownschen Molekularbewegung.
Am 30. Juni 1905 reichte Einstein seine Abhandlung Zur Elektrodynamik bewegter Körper bei den Annalen ein.
Der Aufsatz erschien am 26. September 1905. Schon am darauf folgenden Tag lieferte Einstein seinen Nachtrag Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?

Letzterer enthält zum ersten Mal die wohl berühmteste

Berühmt wurde er in den 1960er Jahren für den Beweis - gemeinsam mit Roger Penrose - der notwendigen Existenz von Singularitäten in der allgemeinen Relativitätstheorie unter sehr allgemeinen Voraussetzungen.


Für diese Arbeit erhielt er 1966 den angesehenen Adams Prize der Universität Cambridge. Er wechselte an das Institut für Theoretische Astronomie in Cambridge, wo er bis 1973 blieb.
Danach arbeitete er am Institut für angewandte Mathematik und Theoretische Physik und begann mit seiner quantenmechanischen Interpretation der Schwarzen Löcher.


1974 entwickelte er das Konzept der „Hawking-Strahlung", nach der schwarze Löcher in der Quantenfeldtheorie je nach der Masse des schwarzen Lochs mehr oder weniger schnell zerstrahlen. Anschaulich kann man sich dies als Folge der Vakuumpolarisation vorstellen: im Vakuum werden ständig Teilchen-Antiteilchen-Paare erzeugt und es gibt eine effektive Strahlung, wenn eines dieser Teilchen im schwarzen Loch verschwindet, das andere aber entkommt.
In den 1980er Jahren entwickelte Hawking mit Jim Hartle einen Zugang zur Quantengravitation und deren Kosmologie über eine euklidisch Pfadintegralformulierung.
Dabei wird in der mathematischen Pfadintegralformulierung, ursprünglich von Richard Feynman für die Quantenfeldtheorie entwickelt, über alle möglichen Konfigurationen von Raum-Zeiten Pfade summiert, was durch Integrale über die Metrik-Tensorfelder, die nach der allgemeinen Relativitätstheorie die Raum-Zeiten festlegen, dargestellt wird.


Um die Integrale mathematisch behandeln zu können, wird ein auch in der Quantenfeldtheorie üblicher Trick angewandt: Das Pfadintegral wird zu imaginären Werten der Zeit fortgesetzt, so dass die Metriken, über die summiert wird, eine Signatur wie bei der Metrik eines euklidischen Raumes statt des Vorzeichens des Minkowski-Raums wie in der allgemeinen Relativitätstheorie bekommen.
Hartle und Hawking schlugen vor, in den Pfadintegralen nur geschlossene Raumzeiten ohne dreidimensionale Ränder zu berücksichtigen kompakte euklidische Metriken, da diese die dominanten Beiträge liefern würden.


Sie nannten dies ihren no boundary proposal ohne Grenzen oder „ohne Rand und sahen darin eine natürliche Formulierung für Probleme der Quantenkosmologie
Die Randbedingung des Universums besteht darin, dass es keinen Rand hat.


Neben dem Vorschlag von Hawking und Hartle sind auch andere Möglichkeiten diskutiert worden, insbesondere die Tunnellösung von Alexander Vilenkin 1982
der Entstehung eines Universums aus dem Nichts.
Ursprünglich favorisierte Hawking aufgrund seiner Theorie geschlossene Universen, in den 1990er Jahren zeigte er aber mit Neil Turok, dass auch offene inflationäre Universen als Lösung im no boundary proposal möglich sind. Der euklidische Pfadintegral-Zugang zur Quantenkosmologie ist wegen des Übergangs von Minkowski-Metriken, wie sie eigentlich in der Natur realisiert sind, zu euklidischen Metriken außerhalb der Hawking-Schule, die konsequent daran festgehalten hat, umstritten.


Hawking ist Mitglied auf Lebenszeit bei der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften.