Alles Zufall im All?

© NASA/Goddard Space Flight Center and the Advanced Visualization Laboratory at the National Center for Supercomputing Applications

PLÖTZLICH REISST MICH EIN GRÄSSLICHER PIEPTON aus meinen Gedanken. Erschrocken ziehe ich mein iPhone aus der Tasche, während ich in meiner wohlverdienten Mittagspause durch die Heidelberger Altstadt schlendere. Ich habe eine aufregende E-Mail von Jeremias erhalten. Er schreibt:

Wochenlang habe ich auf diese Nachricht gewartet. Viel Spam ist währenddessen in meiner Inbox gelandet, Sie kennen das bestimmt. Viagra, kostenlose Kredite, Pfändung der eigenen vier Wände, der hundertste Lottogewinn, und so weiter. Doch nun ist der Zeitpunkt endlich gekommen. Ich freue mich wie ein kleines Kind. Würden wir endlich verstehen lernen, wie Sterne im Zentrum unserer Milchstraße entstehen? Und wie sie in einer vollkommen unwirtlichen Umgebung Millionen von Jahren überdauern? Tausende Fragen schießen mir gleichzeitig durch den Kopf. Ich kann es kaum erwarten, mehr zu erfahren: über das Wesen unserer Galaxie, ihr geheimnisvolles Zentrum und das Schwarze Loch, das alles verschlingt, was ihm zu nahe kommt.

Doch eins nach dem anderen. Zuerst wollen Sie bestimmt wissen, wer zur Hölle eigentlich Jeremias ist. Jeremias ist nichts weiter als ein Bot, ein Computerprogramm, das ich selbst geschrieben habe und das mich benachrichtigen soll, sobald es etwas Neues aus der Welt der Bits und Bytes zu berichten gibt, was augenscheinlich nun der Fall zu sein scheint. Irgendetwas Aufregendes ist geschehen, ein Stern ist entstanden. Der Stern von Bethlehem? Spaß beiseite.

Ich selbst arbeite seit nun etwas mehr als 15 Jahren als theoretischer Astrophysiker - und das sogar freiwillig. Da gehört es zu meinen wichtigsten Aufgaben, die Rätsel unseres Universums zu entschlüsseln. In früheren Zeiten geschah dies ausschließlich mit Hilfe von Bleistift und Papier. Die größten Physikerinnen und Physiker haben damals so gearbeitet. Egal ob Isaac Newton, James Clerk Maxwell, Marie Curie oder Albert Einstein, sie alle hatten nur ihr Gehirn, eine Portion Neugier sowie Tinte und Feder zur Verfügung, um ihre Ideen zu Papier zu bringen - und die bestanden hauptsächlich aus wenigen Gleichungen.

Heute ist das zum Glück anders, denn durch die fortschreitende Technologisierung stehen uns mittlerweile ganz andere Mittel und Methoden zur Verfügung. Technologien, von denen Newton und Einstein früher nur hätten träumen können!

Schon mit einem normalen Notebook kann man daheim auf dem Sofa allerlei komplizierte Phänomene des Weltalls simulieren, während parallel die Tagesschau läuft. Sei es die Entstehung einer Spiralgalaxie, die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher oder die Bildung eines Planetensystems um dessen Heimatstern, all diesen Vorgängen liegt eine ganze Reihe komplexer Formeln zugrunde. Solche Gleichungen auf dem Papier schriftlich und im Detail auszurechnen, würde Wochen, Monate, wenn nicht gar viele Jahre dauern! Ein nervenaufreibender Job.

Stattdessen macht man sich die geballte Power der Computer zunutze. So lassen sich zahlreiche Vorgänge im Universum mittlerweile digital modellieren, und das ausschließlich auf der Basis von Nullen und Einsen (Strom an, Strom aus). Das einzig Notwendige dafür sind die jeweiligen Gleichungen, fundierte Programmierkenntnisse in Sprachen wie C++, Python oder Fortran und jede Menge Zeit, denn je nach Simulation kann es schon mal ein paar Wochen dauern, bis die ersten aussichtsreichen Ergebnisse von der Maschine ausgespuckt werden.

Dabei laufen solche Programme üblicherweise nicht auf irgendwelchen billigen Discounter-Notebooks, sondern auf speziell dafür ausgestatteten Großrechnern, bei denen Hunderte, Tausende und noch mehr Prozessoren zu einem riesigen Netzwerk zusammengeschaltet werden. Je größer das Netzwerk und je leistungsstärker die einzelnen Kerne, desto schneller und hochauflösender können die Simulationen durchgeführt werden, was Theoretikern wie mir die Arbeit enorm erleichtert.

Mit Jeremias hatte ich nun einen praktischen Helfer an der Hand, der mich benachrichtigen würde, sobald meine eigenen Simulationsrechnungen endlich die ersten Protosterne hervorgebracht hatten - unter der Annahme, dass die Prozesse, die ich zuvor in mühevoller Kleinarbeit einprogrammiert hatte, auch zuverlässig vom Computer berechnet worden waren.

So vergingen seit dem eigentlichen Start der Simulation zwei Wochen, während es in der künstlichen Simulationswelt zwei Millionen Jahre waren. Im Grunde haben wir auf diese Weise einen gewaltigen Sprung in die Zukunft gemacht, und das nur mit ein bisschen Mathematik und Physik. Mich fasziniert es immer wieder aufs Neue, wie auf diese Weise ganze Universen im Computer entstehen können. Ein Knopfdruck und ein paar Tage später - zack! - ist die digi­tale Parallelwelt erschaffen, mit virtuellen Galaxien, Sternen und vielleicht sogar Planeten.

Allerdings: Bis zu diesem Zeitpunkt musste ich zittern und bangen. Erst dann würde klar sein, ob die gewählten physikalischen Parameter überhaupt zur Bildung von Protosternen führen. Denn das ist gar nicht selbstverständlich, es könnte auch ganz anders kommen. Zum Vergleich: Nur weil ein Kind zufällig mal Sahne, Erdbeeren und Zucker zusammenrührt, heißt das noch lange nicht, dass dabei automatisch schmackhaftes Erdbeereis rauskommt. Stattdessen braucht es weitaus mehr: nämlich richtige Abläufe, weitere Zutaten, Küchengeräte und Parameter wie Temperaturangaben oder Ruhezeiten - und im Falle Ihres Erdbeereises auch Geduld, denn es muss ja noch in den Gefrierschrank und schockgefrostet werden.

Voller Freude über die E-Mail meines digitalen Helfers begebe ich mich also zurück auf den Weg zum Institut für Theoretische Astrophysik (ITA), um mir die Ergebnisse genauer anzusehen. Welche Masse der Protostern bloß haben mag? Und wie lange es wohl gedauert haben muss, bis er entstehen konnte? Etliche Gedanken schießen mir durch den Kopf. Nach wenigen Minuten betrete ich schließlich mein Büro am Philosophenweg.

Der steinige Weg der Erkenntnis

Doch wie das Leben oft so spielt, sollte es am Ende ganz anders kommen, als ich es mir erhofft hatte. Denn als ich mir die Ergebnisse anschaue, bemerke ich, dass etwas nicht stimmen kann. Die Massen der entstandenen Sterne sind viel zu groß, die Zeitpunkte ihrer Entstehung unnatürlich. Ich werde ein wenig nervös. Habe ich einen Fehler gemacht? Einen Parameter verwechselt, die Simulation falsch aufgerufen? Hastig gehe ich alle wichtigen Einstellungen nochmal von vorne durch, jeder Parameter wird auf die Goldwaage gelegt.

Plötzlich stolpere ich über den Wert des Jeans-Radius. Der Jeans-Radius wurde nach dem englischen Astrophysiker James Jeans (1877 - 1946) benannt, hat aber entgegen dem ersten Eindruck nichts mit Ihren blauen Hosen zu tun. Damit ein Stern überhaupt entstehen kann, muss sich erstmal eine Gaswolke durch die Schwerkraft zusammenziehen. Sie hat dabei aber einen Gegenspieler, denn der Druck des Gases selbst stabilisiert die Wolke nach außen. Ist dieser zu groß, wird der Kollaps der Wolke schlussendlich verhindert und die Sternentstehung unterbrochen. Der Jeans-Radius gibt nun genau jene Ausdehnung einer Gaskugel an, bei der sich Gravitation und Eigendruck im Gleichgewicht miteinander befinden. Man kann die Grenze im Prinzip auch als diejenige Größe auffassen, bei der die Gaskugel letztendlich kollabiert und ein neuer Stern wie unsere Sonne entsteht.

Nun könnte ein falscher Jeans-Radius tatsächlich dazu führen, dass meine Sterne entweder viel zu früh oder zu spät entstehen, mit weitreichenden Folgen, die mir bis dahin noch gar nicht vollends bewusst waren.

Ich schnappe mir ein Blatt Papier und kritzele darauf einige Rechnungen. Konzentration ist hierbei gefragt. Nicht alle wichtigen Gleichungen der Astrophysik habe ich sofort im Kopf parat, dafür sind es viel zu viele. Einige muss ich nachschlagen, aber glücklicherweise stehen zahlreiche Lehrbücher hinter mir im Regal, unter anderem ein Kompendium zur theoretischen Astrophysik, das mich mein ganzes Studium schon begleitet hat.

Schließlich dauert es einige Minuten, bis das Ergebnis feststeht. Und siehe da, ich habe mich tatsächlich verrechnet und den Jeans-Radius falsch abgeschätzt. Verflixt! Der Fehler hat sich fortgesetzt und ist alles andere als vernachlässigbar. Mir schwant Böses .

Es kommt, was kommen musste, denn meine Simulationen waren allesamt für die Katz. Ich habe ein digitales Zombie-Universum kreiert, das mit unserem rein gar nichts zu tun hat. Der Preis dafür waren vergeudete Zeit und verschwendete Rechenleistung. So ist das in der Forschung. Nicht alles läuft auf Anhieb so, wie man es sich wünscht, das natürliche Leid eines Theoretikers. Die Arbeit begann schließlich von vorne und kostete mich nicht nur jede Menge Rechenkapazität, sondern auch wertvolle Zeit.

So bitter die Erzählung klingt, sie gehört zum Alltag eines jeden Forschers. Es ist ein grundlegendes Prinzip der Wissenschaft, neue Dinge auszuprobieren, zu verwerfen, sie neu zu gestalten, wieder zu verwerfen, nochmal anders zu gestalten, und so weiter. Nur auf diese Weise gelangen wir zu neuen Erkenntnissen, die die Physik und die Wissenschaft allgemein langfristig weiterbringen.

Doch wie können wir generell überprüfen, fragen Sie sich vielleicht, ob das digital entstandene Universum überhaupt der Realität entspricht und nicht irgendein verrücktes Nonsens-Computer-Universum darstellt, das von einem irren Freak erschaffen wurde, der von morgens bis abends nur in irgendwelchen mathematischen Formeln denkt?...