Das Alter des Universums
Himmelsbewegungen nach Isaac Newton - Hier in der Planetenmaschine von James Ferguson (zwischen 1710 und 1776). Bild: Public Domain
Über Jahrhunderte hinweg war die Bestimmung des Alters des Universums kein Thema für die Wissenschaft, sondern eher Gegenstand metaphysischer Spekulationen. Erst mit der Entwicklung der modernen Kosmologie konnten fundierte Antworten geliefert werden
Seit jeher hat sich die Menschheit an allen Winkeln der Erde die Frage nach dem Ursprung der Welt gestellt. Fast alle Religionen greifen auf den Schöpfungsmythos der von Göttern gezeugten Welt zurück. Das Alter der Welt zu bestimmen, erschien allein deswegen zwecklos, weil die Entstehung der Welt jenseits aller menschlichen Erfahrung lag. Die lange Zählung des Maya-Kalenders besaß beispielsweise Zeiteinheiten für Milliarden von Tagen!
In Europa, bei den Griechen, gab es Philosophen, die den Anfang der menschlichen Geschichte auf eine nicht datierbare "dunkle" Periode zurückführten. Aristoteles argumentierte dagegen, dass jeder Körper ein materielles Substrat hat, das nur von anderen Körpern stammen könne. Materie verwandelt sich ständig, bleibt aber erhalten, und deswegen muss das Universum seit jeher bestehen und ewig sein. Materie könne nicht einfach aus dem Nichts entstehen oder sich in Nichts verwandeln.
Das ist aber nicht die Geschichte, die im Ersten Buch Mose bzw. dem Buch Genesis erzählt wird. In nur sieben Tagen wird die Welt erschaffen und ab dem sechsten fängt die menschliche Geschichte mit Adam und Eva an. Da das Neue Testament dann die Ereignisse um ihre Nachkommen über Generationen verfolgt, war die Versuchung groß, einfach diese Generationen zu zählen, dazu Lücken mit astronomischen Beobachtungen zu überbrücken, um so auf das Datum der Entstehung der Welt zu schließen.
Der berühmteste Versuch in diese Richtung war der von James Ussher, Erzbischof und Primat von Irland. In mehreren Büchern, verfeinerte Ussher seine Berechnungen der Lebensspanne der verschiedenen biblischen Geschlechter, bis er in 1650-1654 den Anfang der Welt auf den 22. Oktober im Jahr 4004 BC datieren konnte. Am Zeitpunkt der Dämmerung wohlbemerkt. Dies ist die berühmte "Ussher Chronologie", die damals ernst genommen wurde.
Obwohl Newton sehr religiös war, glaubte er dennoch, dass das Buch Genesis nicht wörtlich gelesen werden sollte, sondern als eine Art Mythos. Und er selbst kam auf eine Idee, wie das Mindestalter der Erde bestimmt werden könne. Angenommen die Erde wäre durch Kollisionen zwischen Asteroiden entstanden, könnte man sie in erster Approximation als eine Kugel aus geschmolzenem Eisen modellieren. Durch die Bestimmung der für die Kühlung und Verfestigung des Eisens notwendige Zeit kam Newton auf ein Mindestalter der Erde von 50.000 Jahren, ein Vielfaches des Vorschlags von Ussher.
Ein Jahrhundert nach Newton ließ sich der französische Naturforscher Comte de Buffon mehrere Stahlkugeln herstellen. Er führte Newtons Experiment durch, extrapolierte auf den Radius der Erde, und kam auf 96.670 Jahre, bis die Erde "Zimmertemperatur" erreichen könnte.1 Die Annahmen des Experiments wurden wieder etwa hundert Jahre später durch Lord Kelvin revidiert, aber vorher verlagerte sich das Interesse der Physiker auf einen anderen Himmelskörper, auf die Sonne.
Die Thermodynamiker reden mit
Es war für die moderne Physik ein großes Mysterium, wie die Sonne ihre ungeheure ausgestrahlte Energie erzeugen konnte. Reines Verbrennen von Material, wie auf der Erde, würde nicht ausreichen. Da die Kernfusion nicht bekannt war, mussten andere Mechanismen herhalten.
Hermann von Helmholtz, der ab 1871 Professor für Physik in Berlin war, kam auf die Idee, die Energie der Sonne auf einen Gravitationskollaps zurückzuführen. Eine Sonne aus Kohle, rechnete er, würde in 5000 Jahren voll ausbrennen. Stattdessen kann man die potentielle Energie der Teilchen in der Sonne berechnen und wieviel Energie ausgestrahlt wird, wenn diese Teilchen zur Mitte der Sonne fallen. Durch physikalische Annahmen konnte Helmholtz Approximationen für die Temperatur der Sonne und den Druck im Inneren bestimmen und damit den Energiedurchsatz der Sonne schätzen. Durch den Vergleich mit der in ihrer Masse vorhandenen potentiellen Energie kam Helmholtz 1857 auf eine Lebenszeit der Sonne von etwa 21 Millionen Jahren. Obwohl durch die Berechnung die Zeit seit der Entstehung der Sonne nicht damit bestimmt werden könnte, war sie deswegen wichtig, weil damit klar war, dass Himmelskörper auch einer Geschichte unterliegen: Sie haben einen Anfang und ein Ende. Jahrtausende sind deswegen zu kurze Zeitspannen in kosmologischen Maßstab.
Lord Kelvin, der berühmte schottische-irische Physiker, übernahm Teile der Methoden von Helmholtz und verfeinerte Newtons Gedankenexperiment für die Erde. Zuerst änderte er von Helmholtz Annahmen für die Dichte des Materials in der Sonne und kam auf bis zu 60 Millionen Jahre für die weitere Lebensspanne des Sterns. Dann verfeinerte Lord Kelvin die theoretischen Berechnungen für die Kühlung der Erde und betrachtete die Tatsache, dass die Erde im Inneren immer noch heiß ist. Eine Zeitspanne von Tausenden von Jahren reichte aus, um die Oberfläche der Erde zu kühlen, aber nicht deren Inneres, und so sollten ein geschmolzener Kern und ein Temperaturgradient übrig bleiben, der durch Messungen in Bohrungen bestätigt werden könnte.
Die Berechnungen von Lord Kelvin zeigten dann, dass die Erde wahrscheinlich 100 Millionen Jahre alt sein müsste, um die heutigen Bedingungen in der Erdkruste erklären zu können. Durch die möglichen Fehler in der Annahme betrug die berechnete statistische Spanne für das Alter der Erde ein Zeitintervall zwischen 20 und 400 Millionen Jahren. Es war trotzdem ein ungeheuerliches Resultat: Sowohl für die Erde als auch für die Sonne sollten wir in der Dimension von Millionen und keineswegs von Tausenden von Jahren denken.
Andere Wissenschaftler waren von den neuen Berechnungen sehr angetan. Die Biologen z.B., die mit der Veröffentlichung von Darwins Evolutionstheorie im Jahr 1859 für die Veränderung der Arten auch sehr große Zeitspannen vermuteten. Die Geologen waren ebenfalls sehr früh auf den Verdacht gekommen, dass die Erde seit Millionen von Jahren bestehen sollte, da sonst Witterungsprozesse in geologischen Erdschichten nicht erklärt werden könnten. Wir können also sagen, dass im 18. Jahrhundert die Lebenspanne der Erde noch in Tausenden von Jahren gemessen wurde, während im 19. Jahrhundert ein Faktor Tausend dazu gekommen ist. Ab dann musste man in Millionen von Jahren rechnen.
Milliarden von Jahren
Im 20. Jahrhundert gehen wir von den Millionen zu den Milliarden von Jahren über, wenn es um die Geschichte des Sonnensystems und des Universums geht. Bereits im ausgehenden 19. Jahrhundert, im Jahr 1895, hatte John Perry die Berechnungen von Lord Kelvin verbessert und ein mögliches Alter für die Erde von zwei bis drei Milliarden Jahren vorgeschlagen. Damit war ein Widerspruch entstanden zwischen dem Alter der Erde und der Lebenspanne der Sonne, die immer noch in Millionen Jahren angegeben wurde.
Der erste Ansatz einer Lösung kam mit der Entdeckung der Radioaktivität. Bereits 1896 hatte Henri Becquerel den radioaktiven Zerfall beobachtet. Andere Wissenschaftler, wie Pierre und Marie Curie stiegen in das neue Gebiet ein, und es war gerade Marie Curie diejenige, die das neue Phänomen "Radioaktivität" nannte. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde somit vorgeschlagen, dass vielleicht radioaktiver Zerfall als Energiequelle der Sonne dienen könnte. Würde die Sonne aus radioaktivem Material bestehen, könnte dann das Alter der Sonne in die Nähe der Milliarden von Jahren vorrücken!
Durch die Entdeckung der Radioaktivität und den Nachweis von Isotopen von verschiedenen Materialien konnte nach und nach die spontane Umwandlung von Elementen in andere Elementen verstanden werden, z.B. die Zerfallskette von Uranium zu Radium, Radon, weitere Elemente und schließlich zu Blei. Die mittleren Zerfallszeiten wurden gemessen und so entwickelte sich die sogenannte radiometrische Alterbestimmung. Beispielsweise kann in einem Stein, in dem sowohl Uranium als auch Blei vorhanden sind, angenommen werden, dass zuerst nur Uranium vorhanden war. Es kann dann geschätzt werden, in welcher Zeit die gemessenen Konzentrationen an Uranium und Blei entstehen konnten.
Der Brite Arthur Holmes verfeinerte diese Methode, bis er schließlich im Jahr 1927 das Alter der Erde auf zwischen 1,6 bis 3 Milliarden Jahren schätzte. Wiederum war die Erde älter als die Sonne. Heute wird die radiometrische Methode weiterhin verwendet. aber es werden mehrere Zerfallsketten im selben Stein berücksichtigt, um mögliche Fehler bei der Berechnung zu minimieren. Gleichzeitig werden Meteoriten gemessen, von denen angenommen wird, dass sie zur selben Zeit wie die Erde geformt wurden. Meteoriten haben den Vorteil, dass sie Milliarden von Jahren isoliert im Weltall waren.