Im vergangenen Sommer habe ich die Maya-Stadt Chichén Itzá auf der Yukatan-Halbinsel in Mexiko besucht. Dort gibt es ein Observatorium, von dem aus Priesterastronomen von 600 bis 1200 n. Chr. detaillierte astronomische Beobachtungen durchführten. Die Ruinen – Stufenpyramiden, Tempel, Säulengänge und andere Strukturen aus Stein – zeigen, dass Astronomie eine wichtige Rolle in dieser Hochkultur spielte. Die Maya verfolgten mit großer Genauigkeit die Positionen und die relativen Helligkeiten von Sonne, Mond, Planeten und Sternen. Sie dokumentierten ihre astronomischen Daten in Kodizes, gefalteten Büchern, die viel mehr Einzelheiten enthielten als die Aufzeichnungen anderer Kulturen dieser Epoche. Die Priesterastronomen verwendeten Beobachtungen und komplexe mathematische Berechnungen, um Finsternisse vorherzusagen. Sie entwickelten einen Sonnenkalender mit 365 Tagen, der im Verlauf von 100 Jahren einen Fehler von nur einem Monat aufwies.

Warum also, so fragte ich mich, gingen die Maya nicht weiter? Warum zogen sie keine Schlussfolgerungen, die sie zumindest zu Teilen unserer heutigen, modernen Astronomie geführt hätten? Sie bestimmten immerhin die Umlaufzeiten von Venus, Mars und Merkur um die Sonne – aber die Erde blieb das Zentrum ihres Universums. Ich erkannte, wie einschränkend ein vorherrschendes Weltbild sein kann. Vor dem 19. Jahrhundert verwarfen beispielsweise Forscher geologische und andere Beweise für ein großes Alter der Erde, weil sie nicht im Einklang mit der biblischen Geschichte standen. Ganz ähnlich verwendeten die Maya ihre hervorragenden Daten nur, um ihre mythologische Astrologie zu untermauern. Sie stellten Zusammenhänge her zwischen den periodischen Bewegungen am Himmel und der menschlichen Geschichte, statt nach physikalischen Erklärungen für ihre Beobachtungen zu suchen. Sie verwendeten ihre Daten, um günstige Zeitpunkte für den Beginn von Kriegen oder die Durchführung von Ritualen wie beispielsweise Menschenopfern zu bestimmen.

Haben wir aus der Geschichte gelernt? Oder schränken kulturelle und gesellschaftliche Einflüsse auch unsere heutigen Wissenschaften ein?

Haben wir aus der Geschichte gelernt? Oder schränken kulturelle und gesellschaftliche Einflüsse auch unsere heutigen Wissenschaften ein? Die Bewilligung von Forschungsgeldern geht überwiegend von der Annahme aus, dass die Daten mit der besten Qualität unausweichlich zu nützlichen wissenschaftlichen Interpretationen und theoretischen Konzepten führen – die dann wiederum mit Hilfe zukünftiger Daten überprüft und verbessert werden können. Die Abteilung für Astronomie der US National Science Foundation beispielsweise vergibt die meisten Mittel an große Einrichtungen und Beobachtungsprojekte, die von umfangreichen Teams durchgeführt werden und innerhalb anerkannter Denkansätze bessere Daten sammeln. In anderen Forschungsbereichen – von der Teilchenphysik bis zu Genforschung – ist es nicht anders.

Freies Denken außerhalb anerkannter Denkmuster

Die Folgen einer solchen geschlossenen wissenschaftlichen Kultur sind Verschwendung von Ressourcen und fehlgeleitete "Fortschritte". Ein gutes Beispiel dafür ist die Sackgasse der sowjetischen Evolutionsbiologie. Echten wissenschaftlichen Fortschritt kann es nur geben, wenn zu einem freien Denken außerhalb anerkannter Denkmuster ermutigt wird. Unterschiedliche Interpretationen vorhandener Daten und alternative Begründungen für die Sammlung weiterer Daten müssen gefördert werden. Die Kosmologen der Maya genossen einen hohen gesellschaftlichen Status. Sie erhielten großzügige Unterstützung, weil sie versprachen, die Zukunft vorherzusehen. Die heutigen Kosmologen sammeln enorme Mengen exquisiter Daten im Rahmen von Beobachtungsprojekten, die große Teile des Himmels erfassen – und Milliarden von Dollar kosten.

Zahlreiche Beobachtungsprojekte untersuchen die großräumige Struktur des Universums anhand der Verteilung von Galaxien, so der US-amerikanische Baryon Oscillation Spectroscopic Survey und der internationale Dark Sky Survey. Auch das im Bau befindliche US-amerikanische Dark Energy Spectroscopic Instrument ist diesem Ziel gewidmet, ebenso die Mission Euclid der europäischen Raumfahrtbehörde ESA, das Wide Field Infrared Survey Telescope der NASA und das US-amerikanische Large Synoptic Survey Telescope in Chile. Andere Missionen und Projekte wie der Planck-Satellit der ESA, das US-amerikanische South Pole Telescope, das internationale Atacama Cosmology Telescope und das US-amerikanische Simons Array kartieren die Ursprünge dieser Strukturen in der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Alle Vorhaben verfolgen ein und dasselbe enge Ziel: Sie sollen die Parameter eines einzigen theoretischen Modells bestimmen. Das Modell besteht aus einem expandierenden Universum aus Dunkler Materie, Dunkler Energie und normaler Materie, die Sterne, Planeten und Menschen bildet. Eine rasante Expansion, Inflation genannt, in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall hat die Anfangsbedingungen dieses Universums festgelegt. Die gewaltige Datenmenge der Beobachtungsprojekte wird also auf einige wenige Zahlen eingedampft. Überraschungen im restlichen Datenberg finden keine Beachtung. Ich stieß unlängst bei der Begutachtung einer Doktorarbeit auf diese einseitige Ausrichtung. Der Student hatte den Auftrag, zu überprüfen, ob die Daten eines großen kosmologischen Beobachtungsprojekts im Einklang mit dem kosmologischen Standardmodell sind. Als sich eine Abweichung zeigte, änderte sich die Aufgabenstellung: Er sollte nun erklären, warum die Daten unvollständig waren. Herrscht eine solche Kultur, ist es nicht mehr möglich, das vorherrschende Modell zu widerlegen – selbst wenn jedem bewusst ist, dass man die Hauptbestandteile des Modells, also Dunkle Materie, Dunkle Energie und Inflation, auf fundamentaler Ebene überhaupt nicht versteht.

Hält man nur nach geplanten und erwarteten Ergebnissen Ausschau, so schüttet man möglicherweise das Kind mit dem Bade aus

Das muss sich ändern. Beobachter sollten ihre Ergebnisse ganz unabhängig von Theorien präsentieren. Die Beobachtungen sollten nicht auf ein bestimmtes Modell ausgerichtet sein, sondern darauf abzielen, Anomalien aufzuspüren, die uns Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie, der Dunklen Energie oder auf die Anfangsbedingungen des Universums liefern könnten. Mit weiteren Beobachtungen lassen sich dann auch unkonventionelle Erklärungen dieser Anomalien überprüfen, etwa exotische Formen Dunkler Materie oder alternative Gravitationstheorien. Große Datensätze können Hinweise auf ungewöhnliche Phänomene enthalten, an die bei der Planung der Beobachtungsprojekte niemand gedacht hat. Hält man aber nur nach geplanten und erwarteten Ergebnissen Ausschau, so schüttet man möglicherweise das Kind mit dem Bade aus.

Das Bild, das sich eine Kultur vom Universum macht, hängt unter anderem vom Glauben an die Schönheit der Mathematik und von den Ansichten über die Natur der Realität ab. Wenn solche Vorstellungen tief verankert sind, versuchen die Wissenschaftler, ihre Beobachtungen so zu interpretieren, dass sie diese Vorstellungen stützen. Sie führen gegebenenfalls weitere Parameter ein oder bemühen mathematische Tricks, um die Daten passend zu machen. Erinnern wir uns daran, wie die Überzeugung, die Sonne kreise um die Erde, zur mathematisch schönen, aber dennoch falschen Theorie der Epizykeln führte, vertreten durch den griechischen Philosophen Ptolemäus. Ganz ähnlich ist die moderne Kosmologie durch unbewiesene, aber mathematisch anspruchsvolle Ideen aufgebläht: das Multiversum, das anthropische Argument, die Stringtheorie. Die Idee eines Multiversums postuliert die Existenz unzähliger raumzeitlicher Regionen, zu denen wir keinerlei Zugang haben und in denen die kosmologischen Parameter andere Werte besitzen.

Irdisches Leben ist viel zu früh dran

Auf dieses Multiversum wenden Forscher dann oftmals das anthropische Argument an: Unsere eigene raumzeitliche Region hat genau die Parameter, die es hat – einschließlich jener der Dunklen Materie und der Dunklen Energie –, weil andere, wahrscheinlichere Werte nicht die Entstehung von Leben nahe einem Stern wie unserer Sonne in einer Galaxie wie der Milchstraße möglich gemacht hätten. Ein oft übersehenes Problem mit diesem Argument ist, dass, wie Berechnungen des Autors und seiner Kollegen zeigen, die Entstehung von Leben in unserem Universum in zehn Billionen Jahren um einen Stern mit einem Zehntel der Sonnenmasse tausendmal wahrscheinlicher ist als heute nahe unserer Sonne. Demnach ist das irdische Leben viel zu früh dran und vor allem völlig untypisch, sogar in unserem Universum.

Das anthropische Argument, für das es keinerlei empirische Begründung gibt, verhindert dringend notwendige Anstrengungen, um die Dunkle Energie mit alternativen Theorien zu verstehen, die Quantenmechanik und Gravitation miteinander vereinigen. Auch Paradoxa in anderen Bereichen der Physik zeigen, dass wir eine solche Theorie suchen müssen. So geht beispielsweise die Information, die in einer Enzyklopädie enthalten ist, verloren, wenn diese in ein Schwarzes Loch fällt, das seinerseits ultimativ über die Hawking-Strahlung verdampft. Das jedoch widerspricht der grundlegenden Annahme der Quantenmechanik, Information bleibe stets erhalten. Ein anderes Problem ist: Die gegenwärtigen Modelle der Inflation erfordern eine Feinabstimmung der Bedingungen im Universum vor und während der Inflationsphase.

Kukulkan Pyramide in Chichen Itza
© Jose Ignacio Soto / stock.adobe.com
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernKukulkán-Pyramide in Chichén Itzá
Am Beispiel der Maya kann man erkennen, wie einschränkend ein vorherrschendes Weltbild sein kann. Sie betrieben astronomische Forschung, sie bestimmten immerhin die Umlaufzeiten von Venus, Mars und Merkur um die Sonne – aber die Erde blieb das Zentrum ihres Universums.

Alternative Denkansätze zuzulassen verhindert, dass nur noch "Epizykeln" gefunden werden und der Fortschritt zum Stillstand kommt. Letztendlich ist das Standardmodell der Kosmologie nicht mehr als eine Beschreibung unserer Wissenslücken: Wir kennen weder die Natur der Inflation noch die der Dunklen Materie noch die der Dunklen Energie. Das Modell hat Probleme damit, die Dinge, die sichtbar sind, korrekt zu beschreiben – leuchtendes Gas und Galaxien –, während es mit Leichtigkeit Dinge berechnet, die für uns unsichtbar sind – Dunkle Materie und Dunkle Energie. Dieser Zustand ist offensichtlich unbefriedigend.

Die Tendenz, große Projekte ins Leben zu rufen und die vorherrschenden Denkmuster zu stärken, ist ein typisches Anzeichen dafür, dass eine wissenschaftliche Disziplin in die Jahre gekommen ist. In einer solchen Kultur wurden alle niedrig hängenden Früchte bereits von kleinen, fruchtbaren Teams geerntet, die inzwischen lange der Vergangenheit angehören. Kritiker wenden ein, mit Blick auf beschränkte Ressourcen müsse man sich auf gut koordinierte Forschungen konzentrieren, die in vorhersehbarer Weise Ergebnisse liefern. Doch diese Argumentation übersieht die Möglichkeit, dass die vorherrschenden Ansichten in die falsche Richtung weisen könnten. Die Chance, Fehler zu machen, ist immer viel größer als die Chance auf einen wirklichen Durchbruch. Wie jeder Risikokapitalanleger weiß, sollte man daher stets einen Teil seines Portfolios in riskante Unternehmungen stecken, um große Gewinne erzielen zu können.

Analyse von Daten für beliebige Zielsetzungen

Es gibt nur eine Möglichkeit herauszufinden, ob wir auf dem falschen Weg sind: Wir müssen einen Wettstreit der Interpretationen der vorhandenen Daten zulassen. Seit Jahren setze ich mich dafür ein, die Analyse von Daten für beliebige Zielsetzungen abseits der großen Programme und vorherrschenden Denkmuster finanziell zu unterstützen. Die Notwendigkeit eines solchen Kurswechsels ist heute größer als je zuvor. Die empirischen Grenzen für die Teilchen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte – zum Beispiel schwach wechselwirkende Teilchen oder supersymmetrische Partner bekannter Teilchen –, werden immer enger. Die Hoffnung, überprüfbare Konsequenzen der Stringtheorie zu finden, schwindet. Selbst wenn die finanziellen Mittel knapp sind, sollte Grundlagenforschung immer zumindest zwei unterschiedliche Interpretationen der Daten einfordern. Nur so können neue Experimente entscheiden, welche dieser Interpretationen korrekt ist. Das sollte für Alternativen zur Inflation bei der Analyse neuer kosmologischer Daten gelten sowie für Alternativen zur Dunklen Materie, wenn Beobachtungen von Galaxien Ergebnisse liefern, die von den theoretischen Modellen abweichen.

Auch in anderen Bereichen wäre es gut, wenn Gelder für neue Forschungsansätze bereitgestellt werden würden. Die Entdeckung verschmelzender Schwarzer Löcher mit LIGO sollte zu einer vorurteilslosen Suche nach anderen, von keinem Modell vorhergesagten Quellen von Gravitationswellen anregen. Die Entdeckung des Kepler-Satelliten, dass rund ein Viertel aller Sterne einen Planeten mit etwa der Erdmasse besitzt, der seine Bahn in der lebensfreundlichen Zone zieht, sollte die Suche nach außerirdischem Leben neu anfeuern – und zur Entwicklung neuer Verfahren für die Suche nach intelligenten Zivilisationen herausfordern. Unlängst haben Astronomen sogar einen möglicherweise lebensfreundlichen Planeten bei Proxima Centauri, unserem nächsten Nachbarstern, aufgespürt. Dieser Planet wäre damit in Reichweite zukünftiger Raumsonden.

Zudem sollten multidisziplinäre Konferenzen den heilsamen Dialog zwischen unterschiedlichen Sichtweisen fördern. Dort dürten die Forscher dann allerdings nicht nur über Ergebnisse von Experimenten und über Phänomenologie diskutieren, sondern auch über die ihren Wissenschaften zu Grunde liegenden Konzepte. Es ist die Vielfalt unterschiedlicher Ansichten, die zu einem soliden Fortschritt führt und Stagnation verhindert. Im September genoss ich das Privileg, mit der Black Hole Initiative an der Harvard University in Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts ein interdisziplinäres Zentrum zu gründen. Es bringt Astronomen, Physiker, Mathematiker und Philosophen zusammen. Unsere Erfahrung zeigt, dass ein solches Gemisch von Gelehrten mit unterschiedlichem Vokabular und unterschiedlichen, lieb gewonnenen Weltbildern zu innovativen Ideen und Forschungen außerhalb der üblichen Denkmuster führt. Schon jetzt hat das Zentrum aufregende Erkenntnisse über nackte Singularitäten in der Raumzeit, neue Möglichkeiten zur Abbildung von Schwarzen Löchern und zur Lösung des Informations-Paradoxons geliefert. Es gibt also ein paar ganz einfache, jederzeit anwendbare Rezepte, mit denen wir dem wissenschaftlichen Schicksal der Maya-Kultur entgehen können.