Der Weltraum, unendliche Weiten. Wie oft haben wir uns beim Nachdenken über Zeit und Raum, Entfernungen und Größen und Astrophysik schon das Gehirn verrenkt. Diese Zeiten sind nun vorbei. In der neuen Kolumne „Lichtjahre später” wird uns Autor und Astronom Aleks Scholz regelmäßig alles erklären, was wir wissen müssen: Bis zur Unendlichkeit und noch viel weiter! Heute:
Aleks Scholz. Foto: Ira Struebel
Der Himmel voller Bytes
Am Anfang war ein Screen. Eine einzige, riesige, zweidimensionale Anzeigetafel mit Lichtpunkten und Lichtflecken, entweder auf schwarzem oder blauem Hintergrund. Wir nennen das eine „Nacht“, das andere „Tag“, und die Anzeigetafel „Himmel“. Wenn es nicht gerade bewölkt ist, rauschen auf dem sphärischen Monitor fortwährend Informationen durch, rätselhafte Zeichen und Symbole in einer Sprache, die wir nicht verstehen.
Und zwar erhebliche Mengen: Mit bloßem Auge sind maximal 10.000 Lichtpunkte zu sehen, die sich auf der zweidimensionalen Tafel bewegen und außerdem heller und schwächer werden können. Angenommen, wir reservieren für die zwei Koordinaten und die Helligkeit jeweils 4 Byte, dann lässt sich der gesamte Himmel zu jedem Zeitpunkt in circa 120 Kilobyte abspeichern (plus ein paar Zusatzinformationen über Mondphasen und Sonnengröße). Mit einer Zeitauflösung von einer Minute ergibt das etwa 60 Gigabyte Daten pro Jahr. Aber das ist natürlich nur ein winziger Ausschnitt. Beim Blick durch einen Feldstecher oder ein kleines Teleskop wird klar, dass es noch viel mehr Informationen gibt, die wir mit dem Auge nicht sehen können. Offenbar wurde die Anzeigetafel nicht auf die Fähigkeiten unseres Auges abgestimmt. Aktuelle Sternkataloge kennen eine Milliarde Lichtpunkte, das heißt 1,2 Gigabyte zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Wenn man bei der Zeitauflösung von einer Minute bleibt, ergibt das 600 Terabyte pro Jahr. Das sind immer noch nur etwa 4 Prozent der Datenmenge, die am größten Teilchenbeschleuniger der Welt jedes Jahr anfällt.
Schon in der Frühzeit der Astronomie wurde klar, dass die Informationen auf dem Himmelsmonitor hochgradig redundant sind. Mit relativ einfachen Kompressionsalgorithmen kann man die Menge der anfallenden Daten deutlich reduzieren. Zum Beispiel bewegen sich fast alle Lichtpunkte einmal pro Tag in konzentrischen Kreisen um die Himmelskugel herum. Wenn man diese schlichte Bewegung abzieht, stehen die Lichtpunkte weitestgehend still und man muss nur alle paar Jahre mal nach ihrer Position sehen – wir nennen sie darum auch Fixsterne. Mit Hilfe dieses einfachen Tricks kann man leicht mit ein paar Megabyte pro Jahr für alle mit bloßem Auge sichtbaren Informationen auskommen. Ein Informatiker namens Aristoteles nahm eine weitere radikale Komprimierung vor; er behauptete, dass die Helligkeiten dieser Fixsterne sich nie, nie, nie ändern, was bedeutet, dass wir den gesamten Himmel eines Jahres auf einer alten Floppy-Diskette speichern können. Wie sich später herausstellte, gingen durch die aristotelische Kompression jedoch entscheidende Informationen verloren – Fixsterne verändern ihre Helligkeiten. Der Mann ist über das Ziel hinausgeschossen.
Die wenigen Ausnahmen, die nicht auf einfachen Kreisen unterwegs sind, machen deutlich mehr Probleme. Mit bloßem Auge sind sieben dieser Objekte zu erkennen, genannt Sonne, Mond, Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, wobei wir die letzten fünf passend „Wanderer“ (Planeten) nennen. Alle sieben bewegen sich ungefähr in derselben Gegend der Anzeigetafel, einer Gegend, die Ekliptik heißt. Aber was sie in der Ekliptik veranstalten, ist sehr seltsam; sie sind manchmal schnell, manchmal langsam und hin und wieder bleiben sie stehen, laufen ein Stück zurück, nur um dann wieder umzukehren. Man könnte glauben, der Monitor sei defekt. Trotzdem: Im antiken Griechenland setzte sich die Ansicht durch, dass es hinter diesen wirren Daten ein höheres Prinzip geben muss, einen Algorithmus, der sie erzeugt, und dass es möglich sein muss, diesen Algorithmus aus den Daten abzuleiten. Das gewaltigste Projekt der Wissenschaftsgeschichte war geboren: Reverse engineering the planets.
Wir wissen nicht, wie er darauf kam, aber Claudius Ptolemäus war der Erste, der eine brauchbare Lösung anzubieten hatte. Sein komplexes System aus Kreisen, die sich auf Kreisen bewegen – ein sehr komplizierter Spirograph –, kann die Bewegung der fünf Planeten einigermaßen zufriedenstellend erklären. Jedenfalls, wenn man nicht so genau hinsieht. Der nächstbessere Vorschlag stammt von Johannes Kepler, der herausfand, dass sich genau diese Bewegungen am Himmel ergeben, wenn man leuchtende Körper auf ellipsenförmigen Bahnen anordnet, die nach bestimmten Regeln entworfen wurden. Kritischer Punkt: Der Beobachter, der den Monitor anstarrt, muss sich ebenfalls auf einer solchen Bahn befinden. Welche Software auch immer die Lichtpunkte am Himmel wandern lässt, sie tut so, als befänden wir uns auf einem ebensolchen Lichtpunkt – ein bizarres Feature.
Obwohl Kepler der Lösung damit schon sehr nahe kam, gewann den Hauptpreis Isaac Newton, der zeigte, wie sich Keplers Ellipsen mit Hilfe einer einzigen Formel erklären lassen. Eine einzige, einfache Gleichung – wir nennen sie Newtonsche Gravitation – erzeugt die wirren Planetenbahnen am Himmel. Mehr nicht. Noch schlimmer: Exakt dieselbe Gleichung bestimmt alle möglichen Vorgänge auf der Erde, darunter so unterschiedliche Prozesse wie Steinschlag und Flugzeugabsturz. Die Lösung für das Rätsel der Planetenbewegung lag die ganze Zeit direkt vor unserer Nase.
Aber wir sollten nicht klagen. Zwar sind Lichtpunkte am Himmel nicht unbedingt ein Musterbeispiel für klare Kommunikation. Natürlich wäre es leichter gewesen, wenn irgendjemand die Gleichung für uns an den Himmel geschrieben hätte und fertig. Aber immerhin haben wir fünf mit bloßem Auge sichtbare Planeten, drei davon sehr hell. Die so kritische oben erwähnte Rückwärtsschleife ist zumindest bei einem von ihnen, dem Mars, unübersehbar. Was, wenn man uns eine Anzeigetafel mit nur einem einzigen Planeten gegeben hätte? Oder gar keinem? Was, wenn man uns überhaupt keinen Monitor gegeben hätte, zum Beispiel mit Hilfe einer ewigen Wolkendecke?
Unser Screen ist noch aus anderen Gründen ein absoluter Glücksfall. Nur ein Beispiel: Als wir endlich das Teleskop erfunden hatten, erkannten wir, dass es am Monitor abgesehen von den Lichtpunkten auch noch diffuse Flecken gibt, als hätte jemand Fingerabdrücke auf dem Schirm hinterlassen. Hinter diesen Flecken stecken, so stellte sich heraus, völlig neue Informationsströme, die es zu entschlüsseln gilt. Im Moment sieht es so aus, als hätte die schöne, einfache Gleichung, die uns seit Newton so ans Herz gewachsen ist, Schwierigkeiten mit diesen zusätzlichen Informationen; die Zahlen stimmen hinten und vorne nicht, wie damals bei Ptolemäus. Aber irgendwann werden wir wohl auch dieses Rätsel aufklären, auch wenn es noch einmal 2000 Jahre dauern wird. Der Bildschirm geht so schnell nicht weg.
Kugelinformationshaufen am Nachthimmel, ein platzsparendes Speichermedium
Der Monitor ist vor allem deshalb eine so hervorragende Metapher für den Sternenhimmel, weil er nur optische Daten bietet. Keine Gerüche, keine Geräusche, keine Haptik. Astronomie ist eine reine Monitorwissenschaft, es gibt nichts zu hören, nichts zu fühlen, nichts zu riechen. Die Untersuchungsobjekte der anderen Wissenschaften wären deutlich schwieriger am Computer zu simulieren, man bräuchte Lautsprecher für Walgesänge, komplexe Robotertechnik für Felltiere sowie 3-D-Printer, um Steine und Ruinen zu produzieren. Astronomie ist der billige Teil der Matrix.
Denn natürlich gibt es den Monitor am Himmel nicht. Es gibt auch keinen Computer, der dahintersteckt und Lichtpunkte wandern lässt. Der Monitor ist ein Instrument meiner Vorstellung, genau wie seine berühmten Vorgängermetaphern. Die schon erwähnten geometrischen Kreiswelten von Ptolemäus – vollständig ausgedacht. Kepler schrieb über die Planeten, als handele es sich um ein sauber gestimmtes Saiteninstrument, auf dem er Melodien abspielen will. Beeinflusst durch die antike Idee der Sphärenmusik geht er so weit, Noten in seine astronomischen Abhandlungen einzubauen. Ebenfalls ausgedacht.
Schließlich wurde der Himmel mit Newton und Laplace zur Maschine, genau genommen zu einem Perpetuum Mobile, das nie anhält und nie versagt, zufällig im selben Zeitraum, in dem die Dampfmaschine die Welt übernahm. Die eschatologischen Hoffnungen der Industrialisierung sauber ins Universum projiziert. Wie beschämend, dass sich die Königsmetapher der industriellen Revolution bis ins 21. Jahrhundert gehalten hat, und wir immer noch Zahnräder, Uhrwerke und pumpende Kolben am Himmel sehen. Es ist dringend Zeit für eine neue Metapher, irgendetwas mit Elektronik, Betriebssystem und Monitor. Wir brauchen den digitalen Himmel.
Jede der historischen Metaphern hat eine neue Perspektive auf den Himmel eröffnet. Keplers Planeten erzeugen zwar keine Töne, aber wie bei einem Saiteninstrument müssen die Bestandteile des Sonnensystems bestimmten Regeln gehorchen, um zu harmonieren – das sind die Keplerschen Regeln der Planetenbewegung. Neuerdings hat der Physiker Brian Greene die Saitenmetapher wieder aufgegriffen, weil sie so wunderbar zur Stringtheorie passt. Die rein mechanische Welt von Laplace und Co. wiederum verlangt reproduzierbare Vorgänge, die von exakten Gesetzen bestimmt werden und mit Hilfe dieser Gesetze vorhersagbar sind – das Zusammenspiel von Theorie und Experiment, die Grundlage der modernen naturwissenschaftlichen Methode.
Noch kann man nur darüber spekulieren, welche neuen Einsichten die Monitormetapher mit sich bringen wird. Klar ist, dass sie den Abschied von der materialistischen Weltsicht einleitet. Während die Maschinenmetapher für das gesamte Weltall steht, das riesige Ding, das wir hinter dem Himmel vermuten, ist die Monitormetapher bescheiden und hält sich strikt an die Phänomene – Lichtpunkte statt Sterne, Tag und Nacht statt Erdrotation, Mondscheibe statt Felsbrocken. Der Bildschirm trennt uns vom materiellen Universum, dem Universum an sich, von dem, was wir als Wirklichkeit bezeichnen, und weist uns darauf hin, dass wir dieses materielle Universum nicht kennen. Alles, was wir haben, sind Phänomene und die daraus abgeleiteten abstrakten Naturgesetze, die auf einen relativ kleinen Zettel passen. Mehr brauchen wir nicht zu wissen. Die restlichen Billionen Kubiklichtjahre voll mit Zeug sind genauso überflüssig wie der Monitor und der Rest der Matrix.
Aleks Scholz
Aleks Scholz, geboren 1975, ist Astronom und Schroedinger Fellow am „Institute for Advanced Studies“ in Dublin, Irland. Er befasst sich vorwiegend mit der Entstehung und der Entwicklung von Gelben, Roten und Braunen Zwergen. Foto: Ira Struebel. Aleks Scholz bei Google+. Foto Sternenhimmel: Quelle
