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Verleihung der Albert Einstein Medaille an Johannes Geiss und Hubert Reeves
am 6. Juni 2001 (Aula der Universität Bern)

Vorstellung der Laureaten
Zwei Astrophysiker von internationalem. Ruf, die sich unter anderem mit dem Sonnenwind auseinandergesetzt haben, sollen an der diesjährigen Einsteinfeier gemeinsam mit der Einstein-Medaille ausgezeichnet werden: Hubert Reeves, Forschungsleiter am Centre National de la Recherche Scientifique in Paris und Johannes Geiss, Executive Director des International Space Science Institute in Bern.

Johannes Geiss hat in Göttingen Physik studiert und dort 1953 promoviert. In den folgenden Jahren arbeitete er an den Universitäten von Bern und Chicago auf den Gebieten der Geochronologie und der Meteoritenforschung. 1958-1959 war er als Associate Professor an der Universität Miami in der Erforschung der Klimageschichte der Erde tätig. Von 1960-1991 war Johannes Geiss Professor an der Universität Bern und von 1966-1989 Direktor des Physikalischen Instituts. Während vier Jahrzehnten hat Johannes Geiss die Weltraumforschung an verantwortlicher Stelle mitgestaltet. Als Leiter eines schweizerischen Teams war er im Apollo-Programm der NASA engagiert, und seither ist er an vielen Weltraumprojekten der NASA und der europäischen Weltraumbehörde ESA beteiligt. Hierdurch hat er wichtige Forschungsbeiträge zur Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems, zur Herkunft der chemischen Elemente und zur Kosmologie geleistet.

Hubert Reeves, 1932 in Montreal geboren, ist eine schillernde Persönlichkeit, die - wie Einstein seinerzeit auch- in verschiedensten Bereichen der Gesellschaft aktiv beteiligt ist: als Astrophysiker, Autor zahlreicher wissenschaftlicher Bücher, als Mitwirkender bei öffentlichen Diskussionen und Fernsehsendungen, als Mitdenker für die Welt von morgen und engagierter Weltbürger, dem es mit der sorgfältigen Nutzung der natürlichen Resourcen ernst ist. Hubert Reeves beschäftigt sich innerhalb der nuklearen Astrophysik mit der Herkunft der leichten Elemente wie Helium, Deuterium und Lithium. Neben der Physik ist der Laureat aber offen für jegliche Art geistigen Wissens, sei es Psychologie, Philosophie, Soziologie, Kunst, Mathematik oder Politik.


Am 6. Juni 2001 wurden zwei ehemalige Weggefährten aus der Weltraumforschung der sechziger und siebziger Jahre mit der Einstein-Medaille geehrt: Professor Johannes Geiss aus Bern und Professor Hubert Reeves aus Paris. Ihre Verdienste knüpfen denn auch an die Pionierzeit der Astronautik an; diese wurde von beiden Laureaten auf naturwissenschaftlicher Ebene verfolgt und mitgeprägt. Johannes Geiss referierte über die Implikationen, die zum Beispiel das von ihm geleitete Sonnenwindexperiment auf das Verständnis der Frühgeschichte des Kosmos hat, während Hubert Reeves in seiner Rede über Gemeinsamkeiten und Unterschiede in den Kosmologien Newtons und Einsteins sprach. Beide Referenten legten Wert darauf, den komplexen Inhalt ihrer Rede anschaulich und einprägsam im Kontext der gegenwärtigen Kosmologie zu vermitteln. Der Anlass fand in der Aula der Universität Bern statt.


v.l.n.r.:J. Geiss, H. Reeves, H. Krähenbühl (Foto: Christine Cappi)

Vortrag von Prof. Dr. Johannes Geiss
Die Materie im Universum

"...dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält..."

Professor Johannes Geiss spannt den Bogen zunächst von Eratosthenes, der die Kugelgestalt der Erde nachweist, über die Gravitationstheorie von Newton, mit der sich die Dynamik des Sonnensystems verstehen lässt, zu Albert Einstein und seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Eratosthenes beobachtete schon 200 Jahre vChr., dass sich der Zenithwinkel der Sonne zur Zeit der Sommersonnenwende in Alexandrien und Assuan um 7 Grad unterscheidet. Damit wies er die allgemeine Krümmung der Erdoberfläche nach und bestimmte den Umfang der Erdkugel mit erstaunlicher Genauigkeit. Seine Erkenntnis setzte sich mehr und mehr durch, mit der schwer vorstellbaren Konsequenz, dass Berge, Tiere und Menschen auf der jeweils gegenüberliegenden Halbkugel "auf dem Kopf stehen" müssen. Damit erhielt die Frage, was "die Welt im Innersten zusammenhält" kosmologische Bedeutung. Während Newton und Galilei die Bewegung von Himmelskörpern in Raum und Zeit beschrieben haben, besteht eine wesentliche Leistung Einsteins darin, dass er in der Allgemeinen Relativitätstheorie Raum und Zeit selber zum Gegenstand physikalischer Forschung macht.

Geiss zeigt sodann, dass auf allen Grössenskalen des Universums der Zusammenhalt durch die Gravitationskraft zwischen allen Formen der Materie gegeben ist. Erst die Gravitation führt zu Struktur und Stabilität im Kosmos. Ein quantitativer Vergleich zwischen der beobachteten Gravitationswirkung und der sichtbaren Materie macht indes klar, dass der überwiegende Teil der Materie unsichtbar sein muss. Zum Beispiel lässt sich die Stabilität, ja sogar die Entstehung einer Galaxie nur dann quantitativ erklären, wenn zusätzlich zur leuchtenden Materie auch dunkle Materie in den Galaxien, in den Galaxiehaufen und im Gesamtuniversum vorhanden ist.

Geiss schildert im Folgenden die Elementsynthese während der oft zitierten "ersten drei Minuten" des Universums. Unter Verwendung der durch Laboratoriumsexperimente begründeten Gesetze der Physik lässt sich ausrechnen, dass kurz nach dem Urknall nur die Isotope von Wasserstoff, Helium und Lithium gebildet wurden. "Schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff oder Eisen entstehen während der Frühzeit des Universums nicht, sie werden später durch Kernreaktionen in Sternen erzeugt", ergänzt der Redner und fährt fort: "Theoretisch sollte Helium 24.7% der im Urknall gebildeten gewöhnlichen oder baryonischen Materie ausmachen. Dies stimmt mit einer Genauigkeit von 1 bis 2 Prozent mit der Beobachtung überein, was in phantastischer Weise bestätigt, dass die heute bestehenden Naturgesetze ihre Gültigkeit schon in den ersten Sekunden nach dem Urknall hatten."

Aus der kosmischen Häufigkeit der seltenen Isotope von Wasserstoff und Helium (d.h. Deuterium und Helium-3) lässt sich eindeutig die Dichte der baryonischen Materie im Universum bestimmen. Die Schwierigkeit ist nur, die kosmischen Häufigkeiten dieser beiden Isotope zu bestimmen. Zum ersten Mal gelang den beiden Geehrten eine eindeutige Herleitung vor etwa dreissig Jahren. Nicht ohne Stolz erklärt Geiss, dass die notwendigen Daten hierfür das schweizerische Sonnenwindexperiment lieferte, das erste von Astronauten auf dem Mond aufgestellte wissenschaftliche Experiment anlässlich der ersten Mondlandung im Juli 1969. Bei diesem Experiment wurden die daherkommenden Sonnenwindteilchen mittels einer Folie, dem sogenannten Sonnensegel, aufgefangen und nach der Rückkehr im Labor analysiert. Die von Neil Armstrong und Edwin Aldrin auf dem Mond aufgestellte Folie hat während ihrer 70minütigen Exposition 10 Mikrogramm Sonnenmaterie akkumuliert. Im Labor des Physikalischen Instituts der Universität Bern wurde damit erstmalig Materie untersucht, die direkt von der Sonne kam. Es ist bemerkenswert, dass dies an derjenigen Universität geschah, an der Einstein seine ersten Physikvorlesungen hielt.

Professor Geiss weist auf eine kuriose Parallele hin: Während Newton auf metaphysischer Ebene durch sein universelles Gravitationsgesetz "den Himmel auf die Erde geholt hat", ist mit dem schweizerischen Sonnensegel erstmals physisch Sonnenmaterie ins irdische Labor gebracht worden. Der Laureat betont, dass Deuterium die einzige Atomsorte ist, die ausschliesslich im Urknall entsteht, d.h. in Sternen nicht gebildet, sondern nur zerstört wird. "Deshalb sind wir sicher, dass jeder Mensch als Relikt aus der allerersten Epoche der Natur nachweislich einige Gramm Deuterium in sich trägt, Deuterium also, welches hundert Sekunden nach dem Urknall entstanden ist!"

Aus der kosmischen Häufigkeit des Deuteriums berechnet sich eine baryonische Dichte von 0.2 Atomen pro Kubikmeter, ein Wert, den Geiss und Reeves bereits vor dreissig Jahren herausfanden. Bald zeigte sich aber, dass die so bestimmte baryonische Dichte überhaupt nicht ausreicht, um die Gravitationswirkungen im Universum zu erklären. Mit dieser Dichte könnten sich nämlich Galaxien nicht bilden, Galaxiehaufen würden nicht zusammenbleiben, und die Expansion des Gesamtuniversums würde wesentlich weniger abgebremst, als dies nach neuesten Beobachtungen der Fall ist. Es muss also im Universum eine exotische Form der Materie existieren, die in ihrer Gravitationswirkung die baryonische Materie noch übertrifft. Geiss veranschaulicht mit einem Bild im Gammastrahlungsbereich, dass es im Halo unserer Galaxie diese spezielle, exotische Form der Materie geben muss, die zwar den Halo zusammenhält, aber keinerlei Wechselwirkung mit der kosmischen Strahlung zeigt. Die "Atome" der exotischen Materie müssten etwa so schwer wie Silberkerne sein. Mögliche Kandidaten sind die sogenannten "Weakly Interacting Massive Particles" (WIMPs), deren experimenteller Nachweis noch aussteht. Die Suche nach den WIMPs ist in vollstem Gange, wobei versucht wird, sie in der Natur direkt nachzuweisen oder aber mit Beschleunigern zu erzeugen, etwa am CERN in Genf. An beiden Forschungsbemühungen ist das Laboratorium für Hochenergiephysik der Universität Bern in hervorragender Weise beteiligt.

Zum Schluss fasst Professor Geiss die Situation in der kosmologischen Forschung zusammen: Spekulationen anzustellen und Theorien über das All zu formulieren ist wichtig, die Beobachtung, der experimentelle Nachweis aber unverzichtbar, denn nur das führt zu gesicherten Aussagen und naturwissenschaftlicher Erkenntnis über das, "was die Welt im Innersten zusammenhält."

Vortrag von Prof. Dr. Hubert Reeves

Wir leben in einem seltsamen, seltsamen Universum...

Professor Hubert Reeves erklärt zunächst, wie mit der Einsteinschen Relativitätstheorie die Krümmung des Raums auf die in ihr enthaltene Masse zurückgeführt werden kann. Er zeigt dies anhand einer anschaulichen Analogie zur Newtonschen Gravitationstheorie, bei der etwa die Erdbahn durch die Anwesenheit der Sonnenmasse zu einer Ellipse gekrümmt wird. Reeves fährt fort: "Das Universum setzt sich aus einer unglaublich grossen Anzahl von Galaxien zusammen. Einstein konnte zu seiner Zeit nicht ahnen, dass man damit nur etwa ein Prozent der im All vorhandenen Materie sehen kann. Der "Rest" an Materie ist zwar unsichtbar, aber gravitativ trotzdem wirksam". Wieso wir wissen, dass es im Universum mehr Masse - genauer Masse und Energie - haben muss, als wir sehen? Materie und Energie krümmen nach Einstein den Raum.

Anhand eines Kuchenstück-Diagramms listet der Redner die verschiedenen Arten von Materie auf: "Gewöhnliche Materie besteht aus Protonen, Elektronen und Neutronen, davon ist jedoch weniger als 1% sichtbar! Vier Prozent der Universummasse nennt man gewöhnliche dunkle Materie, die von kleinen unsichtbaren Objekten herrühren können. Weiter besteht der Kosmos vermutlich zu 25% aus neutralen Teilchen und zu 70% aus abstossender Vakuumenergie. Bei den Teilchen könnte es sich zum Beispiel um Neutrinos oder um WIMPS handeln."

In Bezug auf die anziehende Materie weist Reeves darauf hin, dass man schon 1930 durch experimentelle Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen, die um ein galaktisches Zentrum kreisen, festgestellt hat, dass im Zentrum eine zehnmal grössere Masse zu veranschlagen ist, als man tatsächlich durch Auszählung abschätzen kann.

Noch seltsamer mutet der folgende, seit 1998 bekannte Effekt an, bei dem es um die abstossende Wirkung des Vakuums geht. Nach der bekannten Theorie des Big Bang erwartet man, dass die näheren Galaxien langsamer, die weiter entfernteren schneller von uns wegbewegen. Da sich die Galaxien gegenseitig anziehen, müsste sich ihre Expansionsbewegung allmählich verlangsamen. Dies ist nicht der Fall: die weiter entfernten Galaxien bewegen sich interessanterweise beschleunigt von uns weg! Dies lässt sich so interpretieren, dass im Universum eine abstossende Kraft wirksam sein muss. Sie ist bereits in den Gleichungen im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie als sogenannte kosmologischen Konstante enthalten, die Einstein seinerzeit eingeführt hat, um ein stationäres Universum zu modellieren. Diese repulsive Wechselwirkung ist ein Hinweis auf die Existenz eines sogenannten skalaren Vakuumfeldes. Man nimmt daher an, dass das Universum in Zukunft nicht nur grösser sein wird, sondern immer schneller grösser wird.

Schliesslich ergibt die Ausmessung der kosmischen Hintergrundstrahlung mit guter Winkelauflösung, dass das Universum trotz des geschilderten Aufbaus derart fein abgestimmt sein soll, dass es im grossen Massstab flach ist, oder anders gesagt, die Krümmung der Raum-Zeit null ist. "Natürlich ist das All lokal gekrümmt, wie Meereswellen", ergänzt Hubert Reeves, aber "ist das Meer nun flach oder rund? Hat das Universum eine Raum-Zeit-Krümmung oder nicht?"

"Wir leben in einem seltsamen, seltsamen Universum, und das macht die Astrophysik so aufregend." Dem Laureaten ist es gelungen, die gegenwärtig drängenden Fragen in der Kosmologie auf sehr anschauliche Weise dazustellen.

Hansjörg Friedli

 
 
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