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Interview: Natürlich Theorie!

Bereits als Schüler fing Matthias Bartelmann Feuer für die Astronomie und ihre theoretischen Aspekte. Nach einer spannenden Zeit am Max-Planck-Institut für Astrophysik kam er 2003 als Professor für Astrophysik an die Universität Heidelberg.

Sterne und Weltraum: Herr Bartelmann, was sind Ihre Forschungsschwerpunkte?

Matthias Bartelmann: Es gibt zwei Gebiete, die ich momentan verfolge: Das eine ist kosmologische Strukturbildung. In numerischen Simulationen beobachten wir, dass sich in diesen simulierten Universen gravitativ gebundene Objekte wie Galaxienhaufen und Galaxien bilden, deren Dichteprofile, also der radiale Dichteverlauf dieser Objekte, sich als universell herausstellen. Sie haben immer dieselbe Form, die wir aber nicht verstehen. Wir verstehen weder, warum es zu dieser Universalität im Gravitationskollaps kommt, noch verstehen wir, wie es zu dieser speziellen Form der Universalität kommt. Wir verwenden Methoden aus der statistischen Physik, um zu versuchen, diesem Thema näher zu kommen. Das ist ein altes Thema, doch was sich auf dem Gebiet neu entwickelt hat, sind die Methoden aus der statistischen Physik, die angelehnt sind an die statistische Quantenfeldtheorie. Mit diesen Mitteln können wir versuchen, diese Fragen zu beantworten.

Und Ihr zweites Gebiet?

Der andere Aspekt ist sehr viel konkreter: Wir versuchen, indem wir Galaxienhaufen beobachten, in denen Gravitationslinseneffekte zu sehen sind, die tatsächliche Verteilung Dunkler Materie in diesen Objekten zu kartieren. Da reichen unsere Beschäftigungen von der Datenaufnahme, Datenanalyse, Datenreduktion bis hin zur Methodenentwicklung für diese Rekonstruktionsverfahren.

Sind Sie selbst an der Datenaufnahme beteiligt?

Gewissermaßen ja. Unsere Gruppe hier ist Teil des CLASH-Consortiums, das steht für Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble. Das ist ein Konsortium von Wissenschaftlern aus den USA, Deutschland, Israel, Italien, Spanien, Taiwan und ande- ren Ländern. Es hat eines der größten bisher bewilligten Projekte mit dem Hubble Space Telescope gewonnen. Darin geht es darum, 25 Galaxienhaufen mit Hubble in 16 verschiedenen Farbbändern aufzunehmen, um den Gravitationslinseneffekt im Zentrum dieser Galaxienhaufen möglichst gut zu kartieren. Dieselben Galaxienhaufen werden dann auch mit erdgebundenen Teleskopen beobachtet, die meisten davon mit dem japanischen Subaru-Teleskop, um die Einbettung in die umgebende Materie besser zu verstehen. Insofern sind wir tatsächlich auch in die Beobachtung eingebunden, wobei die Daten mehr oder weniger fertig vom Hubble Space Telescope kommen.

Waren Sie selbst schon einmal an großen Teleskopen wie dem Subaru? Oder ist es rein die Theorie, die Sie am Schreibtisch hält?

Nein, überhaupt nie. Zwar habe ich schon auch an Teleskopen beobachtet – allerdings nur an kleinen. Ich komme aus der Amateurastronomie, denn das war mein Hobby als ich noch ein Schüler war. Aber mir war seit meiner Schulzeit klar, dass es Theorie sein muss.

Woher kommt die Vorliebe zur Theorie?

Als Kind habe ich mich bereits für Planeten und den Weltraum interessiert. Das wurde sehr konkret, als ich im Alter von 14 Jahren mit der Schulklasse zu einem Schikurs in den Alpen war. Klarer Himmel, wunderbar! Da hat mich ein etwas älterer Mitschüler nachhaltig mit Astronomie infiziert. Er erklärte mir, wie man Planeten von Sternen unterscheiden kann, nämlich indem sie sich relativ zum Fixsternhimmel bewegen. – Von dem Augenblick an wollte ich wissen: Wie kann man berechnen, wo am Himmel und zu welcher Zeit ich den Jupiter und alle anderen Planeten sehen kann? Ich habe nachgelesen, wie das geht und arbeitete die Methode aus. Im Herbst bis zum Winter 1979 fing ich an, alle Planetenkonfigurationen für das Jahr 1980 auszurechnen.

Welche Mittel standen Ihnen dafür zur Verfügung?

Damals hatte ich keinen Taschenrechner und natürlich keinen Computer. Ich war auf Logarithmentafeln, Bleistift, Papier und Rechenschieber angewiesen. Seitdem habe ich keinerlei Probleme mit langwierigen Rechnungen mehr. – Stellen Sie sich das Erlebnis vor: Sie berechnen als 14-Jähriger, wo beispielsweise der Merkur im Februar 1980 zu sehen ist. Dann schauen Sie zu dem entsprechenden Zeitpunkt dorthin, und da steht er auch. Das ist einfach unglaublich. Seitdem war mir klar: Erstens, diese Dinge lassen sich berechnen, und zweitens, das hat mich jetzt schon einige Mühe gekostet, aber es geht! – Das ist es. Was anderes kommt gar nicht in Frage. Wenn jetzt jemand die Güte besitzt, mich für die Art Beschäftigung auch noch zu bezahlen, was kann ich mir Besseres wünschen?

Und dann haben Sie diese Richtung im Studium gewählt?

Ich habe 1985 im Wintersemester in München mit dem Studium angefangen. Wegen der vielen Mitstudenten – wir waren damals über 300 – und wegen der großen Vorlesungsauswahl gab es zunächst jede Menge Ablenkung. Dann hat mich Rudolf Kippenhahn mit seiner Vorlesung über Akkretionsscheiben eingefangen. Er war ein fantastischer Lehrer. – So kurz vor Weihnachten 1987 habe ich nach einer Praktikumsmöglichkeit bei ihm am Max-Planck-Institut für Astrophysik angefragt. Schließlich verpasste er mir einen temporären Institutsausweis und lud mich ein, jederzeit vorbeizuschauen und den Wissenschaftlern Löcher in den Bauch zu fragen oder die dortige Bibliothek zu nutzen. Ich war vollkommen überwältigt und seitdem natürlich völlig auf das MPA festgelegt.

Haben Sie an diesem Institut auch ihre Diplom- und Promotionszeit verbracht?

Ja. In der Gruppe von Peter Schneider bekam ich ein Diplomthema auf dem Gebiet des Gravitationslinseneffekts angeboten, das mich sehr angesprochen hat. Jürgen Ehlers war mein offizieller Betreuer, und das war ein Paradies für mich! Anschließend schlug mir Peter Schneider ein Thema zur Doktorarbeit vor, das ich in etwas weniger als einem Jahr bearbeiten konnte. Nach eineinhalb Jahren war ich fertig mit der Promotion und konnte als Postdoc machen, was ich wollte. Das war einfach großartig. – Also, ich verdanke Rudolf Kippenhahn sehr viel, und auch Peter Schneider, Jürgen Ehlers und einigen anderen älteren Kollegen.

Zum Thema »allgemeine Relativitätstheorie«: Wie wurde dieser gedankliche Sprung vom dreidimensionalen Raum zur vierdimensionalen Raumzeit gemacht, und dazu, dass die Raumzeit gekrümmt sein kann?

Ich würde sagen, das gehört zu den faszinierendsten Kapiteln der modernen Physik. Denn es gab für die allgemeine Relativitätstheorie eigentlich keinen Grund. Für die Quantenmechanik kennt man jede Menge experimentelle Befunde, etwa die Atomspektren oder den Photoeffekt, die zeigen, dass die klassische Mechanik nicht ausreicht. Etwas Ähnliches gibt es in der allgemeinen Relativitätstheorie nicht. Die newtonsche Gravitationstheorie funktionierte viel zu gut. Der einzige leichte Hinweis war die Periheldrehung des Merkur um 42 Bogensekunden pro Jahrhundert! Die war zwar schon länger bekannt, aber innerhalb der newtonschen Theorie ohne Weiteres zu deuten. Man hat sogar einen zusätzlichen Planeten gefordert, der diesen Effekt hervorrufen sollte. Doch dies war historisch nicht der Anhaltspunkt für die allgemeine Relativitätstheorie, und es hätte auch nicht ausgereicht, um diesen großen gedanklichen Sprung zu machen. Die treibende Kraft, die hinter der allgemeinen Relativitätstheorie stand, war Albert Einsteins Unbehagen mit der newtonschen Theorie, als er merkte, dass die spezielle Relativitätstheorie zwar mit der Elektrodynamik – wo sie herkam – sehr gut vereinbar war, aber überhaupt nicht mit der newtonschen Gravitationstheorie.

Der springende Punkt war also die Gravitation ...

Einstein kam dann auf diese grandiose Idee des Äquivalenzprinzips, also zu erkennen, dass Gravitation an sich wegtransformierbar ist, indem man sich in spezielle Bezugssysteme begibt, dass aber diese Bezugssysteme verschieden sein müssen, wenn man sich an verschiedenen Orten aufhält. Wenn man diese frei fallenden Bezugssysteme, die Einstein eingeführt hat, um das Äquivalenzprinzip zu erläutern, an verschiedenen Orten über der Erde fallen lässt, dann merkt man sofort: Die können sich aufeinander zu bewegen, die fallen ja nicht einfach parallel zueinander. Und Einstein hat gemerkt, dass sich diese relative Bewegung durch die Krümmung der Raumzeit darstellen lässt.

Wie lange braucht man, bis man sich gedanklich mit diesem Konzept angefreundet hat?

Ich muss sagen, nachdem ich die Vorlesung über allgemeine Relativitätstheorie zum dritten Mal gehalten hatte, hatte ich den Eindruck, jetzt verstehe ich wirklich, worum es darin geht. Inzwischen halte ich die Konzepte der allgemeinen Relativitätstheorie oder überhaupt relativistische Konzepte für sehr viel überzeugender als die Konzepte aus der klassischen Mechanik. Es ist wahrscheinlich einfach ein Gewöhnungseffekt. Ich habe schon überlegt, ob man nicht im Studium gleich mit relativistischen Konzepten anfangen sollte. Aber die große Mehrheit meiner Kollegen sagt: »Bist du eigentlich wahnsinnig?«

Die Lehre liegt Ihnen auch sehr am Herzen?

Das mache ich sehr gern.

Wie viel Zeit hat man, die man wirklich den Studenten widmen kann, wenn man forscht und Anträge schreiben muss? Reicht sie aus, oder hätten Sie gerne mehr Zeit dazu?

Dafür hätte ich gerne ungefähr 100 bis 150 Prozent mehr Zeit, aber auch das würde wohl nicht reichen.

Hätten Sie abschließend noch einen Rat an junge Wissenschaftler, sich nicht entmutigen zu lassen?

Der aufmunternde Rat wäre – sehr, sehr ernst gemeint: Macht, was ihr wollt. Macht genau das, was ihr wollt. Macht, wofür ihr Talent habt, macht woran ihr Spaß habt. Es ist die letzte Gelegenheit in eurem Leben, wo ihr das wirklich könnt. Die Promotions- und Postdoc-Zeit ist einfach ein Traum. Nach wie vor! Die Freiheit zu forschen kommt nie mehr in diesem Umfang wieder.

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