Hannes Alfvén (1979) - Observations and Cosmology

When Hannes Alfvén gave his talk at Lindau, he was well known by the general public in Sweden as the eminent scientist and Nobel Laureate who was strongly opposed to nuclear power for environmental reasons

I wish to thank you very much for your kind introduction. It is a, a great pleasure to be here and to listen to so many interesting lectures. And especially I am glad to note that there are so many physicists who invade other fields of science. We have just heard today a couple of excellent lectures about biology. And the physicists have made or presented all sorts of excuses for going there. I think that they do not need any excuse for this, but I should like to try to follow the same approach, namely to try to go into a field where I am an outsider and this means that I would like to present the views of a plasma physicist on cosmology and astrophysical problems in general. As an excuse for doing so, I should perhaps mention that everybody, everybody knows that 99.9999999% of the universe consists of a magnetized plasma and therefore it may be allowed for a plasma physicist to present his views there. And the.., we have listened to wonderful lectures about cosmology and it has been stated here the general agreed fact that the Big Bang cosmology is the cosmology, which explains everything. And I am of course very impressed by this cosmology. It is based on the General Theory of Relativity and in the year when the hundredth anniversary of Einstein is celebrated, I need not, I need not stress to you how wonderful, how beautiful the general theory of the general relativity is and when you listen to the presentation of Professor Dirac on his version of the general ..of the Big Bang theory, you are also very impressed, of course. The general feeling is that it is a beautiful theory which explains the whole evolution of the universe, from the Big Bang, the “Urknall”, when all matter was, we have now, was concentrated in one point, in one singular point. There are of course a number of, of difficulties which is, it is a little, which there are a number of things, it is a little difficult to understand, namely that the whole world which we see, Lindau and Bodensee (Lake Constance) and the whole Earth and the planets and the Sun and the galaxy and all that once was once condensed into a very small volume, as small as this, or as small as this, or even still smaller, because a singular point is very, very small. And, but I take the authority of Einstein and Professor Dirac that it must have been so and furthermore, you hear the detailed description of what happened during the first three minutes after the Big Bang and that is described, as you know, in detail. You are a little surprised to find that the accurate dating of this is not so well known. Professor Dirac said that some people say that it was 10 billion years ago and other 18 billion years ago and I think this states, this states the general situation, there is large uncertainties in certain respects, but of course not about what happened during the first three minutes. But with this and then of course you ask yourself, what happened before these three minutes? And then I haven't got any answer yet what happened before, well this has no meaning because nothing existed there, and how did all this come into, into being? There are some people who say that this proves the existence of God, because it was must have been God who created all this at a certain moment and this means that we mix science and theology, we come into the borderline there and this is a thing which perhaps is somewhat dangerous. But as I said, the most, the strongest impression is the wonderful beauty of the whole theory. It explains everything. However, beauty, beauty is sometimes dangerous, also in science and especially in cosmology. If we look at the history of science, there has been other cosmologies which have been wonderfully beautiful. Take the six-day creation, wasn't that, isn't that a wonderful cosmology? It, it, and still it is, inspite of its beauty, it, it isn’t believed very much, at least not in the scientific community. And take the wonderful Ptolemean system, which was generally accepted 1000 years or so, with the harmony of the spheres and crystal spheres revolving. That was also very beautiful. But still, there are very few people who believe in it, except of course those who believe in astrology and that is perhaps more than those who believe in science, in astronomy, but that is, but these are outside, extra-muros to us, they are not, do not belong to the scientific community. But I think that the, the reason why these very beautiful cosmologies are not, are not accepted anymore is that they are not reconcilable with observations, because science is, after all, empirical, to, to some extent, empirical. We have wonderful theories, of which we have heard so much, but there is also empirical evidence and how does that agree with the, the theories in this respect? We have heard that there are convincing proofs for the Big Bang cosmology and we have heard that in some cases there is expected to be convincing proof of it in a few months, but let us see a little how we, how all this, this, how much, to what extent the observations support the Big Bang. I think that the general impression is that all really good observations support Big Bang and all bad observations contradict it. But what is the definition of a good observation? It is an observation which confirms the Big Bang and, and the definition of a bad observation, an uninteresting observation, is an observation which brings Big Bang into some difficulties. We have heard about these wonderful models. It is a homogeneous model which is the basis for the Big Bang, derived from the General Theory of Relativity. And, so the first question is, is really the universe uniform? Is it isotropic? If you go out in the night and look at the stars, you don't, you, you see something which is not at all uniform But that is only a local anomaly. It is only something that happens here in our close neighbourhood. And, if you go out and have a, if you have a look on the galaxy, our galaxy, this does not either give you an impression of a uniform distribution of matter. But, this is again a, a local anomaly. If we go out further, we should, according to the theory, to be, be able to apply a uniform homogeneous theory. That means that such islands should be distributed uniformly in space. No, it does not, because the galaxies are lumped together in, in, in groups of galaxies and these are lumped together in, in clusters of galaxies, and the clusters of galaxies are not either uniformly distributed. They are lumped together in super clusters. And that is as far as our information goes because if we go to still larger size, we don't know anything with certainty from observations of this kind. Can I have the projector, the projector on here? This is a diagram by DeVancouleurs which gives the experimental, the observational results, correlation between the maximum density and the radius of a sphere, and you see here, if you have these represent galaxies and the average density in, in them is something like 10-23, these are groups of galaxies and, and clusters of galaxies and this is the last largest unit you can measure, that is, a super, super cluster of, super clusters of galaxies, they come down here. And you see this does, this means that we have rather a hierarchy of lower and lower densities when we go out to very large regions. Here we are out on close to the 1026cm and the Hubble radius, the radius of the universe is called 1028, so we are, have here still a couple of or two orders of magnitude to go and about this region we don't know anything from galactic observations, how uniform it is. It is quite possible that, from here further out, we have a uniform density that is about 10-29, which I think is the, the figure which Professor Dirac quoted. However, if you take, you can also without being in disagreement with any observational fact, continue the extrapolation here and that brings you down to 10-34, 10-32 at this distance, which is three or four orders of magnitude below this value. So we obviously here have an amplitude about which the observations don't us tell anything. There is nothing wrong. We cannot say that the Big Bang uniform picture is wrong, but we can also, also accept such a solution and we should just, it is of interest to see what we result we can reach if we take the other alternative. So it means that the homogeneity of very large, of the universe or meta-galaxies is also always, sometimes is called being just that part of, of the galaxy, which, with of the universe we explore here. That, this uniformity is not known with any, is not proved by observations of galaxies. What is the main proof of it? Well, it is the most important phenomenon which has been discovered for the, for quite a few years in astrophysics, namely the black body radiation, which is completely isotropic. And that shows that, that. That shows that the, the universe as a whole must be completely isotropic. It agrees with the Big Bang model and this is actually the strongest support that, that ever, there is. It is, as far as I know, the only support there is for it, or perhaps I should say was, because one year ago there happened a very regrettable thing, namely that this radiation turned out not to be isotropic. It, it is quite, it is may very well be due to a local anomaly, of course. But it is, if you correct for the rotation of the galaxy, you still get a large anisotropy, of the order of a velocity of 800 or 1000 kilometres per second. And if you then correct for the motion of the, our, our galaxy in relation to other galaxies in the Virgo cluster which is the larger unit, you do not either get any, any better isotropy. So it must be some still larger unit, where this, this unit, this anisotropy is caused. So I'm not quite sure that we could rely on this either. Then comes the Hubble expansion. The Big Bang says that everything was condensed in a singular point and from that, the galaxies drew out in all directions. And there is no, this is correct with at least to the extent that there is a Hubble expansion, the galaxies move outwards. And this is a diagram which shows the relation between the distance, which is measured by corrective apparent magnitude of the galaxies and this is the velocity. And you see that these points very well on a straight line, which it should do according to the Big Bang theory. They should all be, be lying on a straight line and of course we have, we have observational errors because these measurements are very difficult to make. However, if we take the individual observations here, we have the distance and we have the velocities and from that, we could construct a diagram how these have moved under the assumption, which is very reasonable, that they haven’t changed their velocity. This is now the distance from us and this is time, and you see that if you go back in time, these are all coming closer together. Now every individual point here is used for such a straight line and they come together here. So there is no doubt that the, our meta-galaxy is expanding at present. However, is it, does this expansion necessarily derive from the Big Bang here? It's quite possible. You cannot rule that out because these could very well be observational errors. It might be that everything has derived, has originated from one point here and then it has gone out like this and the, the minimum size which you get here may very well be due to observational errors. However, we cannot say from observations it is possible to conclude this. We can conclude that, once the meta-galaxy was much smaller than now, at the Hubble time, It could be zero, it could be a singular point, but it could very well also be much larger. So this means that we, we if we try to construct an earlier state of the our meta-galaxy from observations, we could do that, that could lead to the Big Bang model, but it could also according to this lead to a rather drastically different picture. You have here the Hubble radius, the Hubble density and so, so on and here is, is beta, that is the velocity, the velocity of the different galaxies, which have been measured. And the galaxies for, for which one has measured the red shift are, most of them are well below 0.3 of the velocity of light. That means that this is the size, 3x1027, if we take the Hubble radius as 1028. Professor Dirac gave a, a model in which he said that he discussed especially the, the part of the universe which was receding with a velocity which was less than half the velocity of light, which we can take for this and here we can take 0.4 as some sort of average. This is only to show you what one may get in such a way. When you see that the total rest mass of the, the meta-galaxy is given here and the rest mass energy, rest mass multiplied by the square of the velocity of light, comes down to 483. The units is 1070 erg. You can also calculate the kinetic energy of this, and the kinetic energy comes out to be 19. It is about 5%. So the known the part of the universe, which we have observed with any degree of certainty has a kinetic energy which is about 5%, a little different here, of the, of the rest mass. So in some way, we need to have an energy put into the meta-galaxy which gives you 20% about, and this, from that we can construct, I don't have so much time, I see that goes very rapidly. This is a table of what we have here. We, what is interesting is to see, this is the minimum size of the meta-galaxy and what is interesting is that the, we are even at the minimum size, 100 times outside the Schwarzschild limit, which means that the correction for the General Relativity effect is only 1%. What does this mean? It means that if we go out to the galaxy, in the galaxy, we, we of course have measured General Relativity effects in our close neighbourhood. If we go out to study the, the behaviour of the galaxy, no one applies General Relativity. Every, every all the motions there can be used, can be calculated with classical mechanics. If we go out, further out, as soon as we are far from the general, from the Schwarzschild limit, we can use classical mechanics and use Euclidean geometry with a high degree of certainty. So actually, with this model we have a 1% correction for the General Relativity and something like 10, perhaps 25% correction for the Special Theory of Relativity. So you see that this is, this is, is a possible model, which as I said is just as well reconcilable with the observations, with the observational data as the Big Bang theory, as far as I can see. However, now comes another thing. If you, and that is, that are so many other very interesting phenomena which have been observed in the, in the, in astrophysics. And one of the most dramatic events, dramatic things is the QSOs, the quasars. And the quasars have velocities, red shifts, which are much larger than the galaxy’s. Under the assumption that the quasars, the QSOs, have a red shift which is due, which is cosmological, that is due to the Big Bang, then you can go out from a point, from 0.3 the velocity of light, 0.4, out to almost the velocity of light. You have red shifts which are up to two or three or perhaps even more. So it is a critical question whether the red shifts of the QSOs is cosmological or not. And the red shifts, the, the QSOs are a very, very interesting, very fascinating thing to study. And I have here a short summary of, of their properties. They are not really introduced very much in the general cosmological discussion, and the reason for this is simply that they are very awkward to the Big Bang cosmology. There is no evident explanation of it and you can see that they, they are causing considerable trouble. The QSOs are very large releases of energy. It is of the order of the annihilation of one solar mass per year and in some cases still more. They have red shifts which are very large and the controversial question are these red shifts, is are these red shifts cosmological or are they caused by some other, other mechanisms? And then you can see that what we should take out here is, is especially that some QSOs are located close to galaxies, and in certain cases they have the same red shift as the galaxy. But there are many cases and undoubtedly very convincing evidence that there are QSOs closely, close to galaxies, but they have very different red shifts. This is, is, has been demonstrated by my measurements by Margaret Burbidge, the Burbidges have very strong evidence for the non-cosmological red shifts and are in Pasadena, has made beautiful measurements of this. So there must be mechanisms by which these QSOs get up to close to the velocity of light without being these velocities being produced by the cosmolo..., by the Big Bang. And you can see what requirements one has here. The, if, if you have, if you take the enormous energy release, which are measured and you introduce the condition that this energy is emitted in one direction, then you can get the, the bodies up to these velocities. This is one possible suggestion to, to get, to explain the QSOs. This means that the very large velocities are not necess..., which we observe, are not necessarily cosmological. There are other mechanisms also. But what are these mechanisms? What is the mechanism which produces the energy for the QSOs? We see immediately that nuclear energy, which is giving us the ener..., the energy of the stars, is by far not sufficient. So we have three possibilities. We have either to invent a new law of physics, which gives you these very large energy releases, which we perhaps are a little hesitant to do. We have two other alternatives left. One is gravitational energy and the other is annihilation. And the gravitational energy, there have been a number of theories according to which black holes produce these large energy releases. But if you try to work out a theory of the QSOs, how they are accelerated, you find that you run into very serious difficulties. And then is just the possibility that we have annihilation as an energy source. And that brings up an interesting problem, namely is there antimatter in the universe? Is the universe symmetric with regard to matter and antimatter? This has of course been speculated much about it. And it is Oskar Klein in Stockholm who has, who made twenty years ago a systematic effort to show that, to make cosmological model with the, with anti, where a symmetry between matter and antimatter. This, there has been much objection to that and this is essentially because if matter and antimatter are mixed in the universe, you would have an enormous gamma radiation and you will have a very rapid annihilation of it all, so that this could only be a very, could, could not persist for a very long time. However, all this depends upon the assumption that you have, that the universe is, is homogeneous. We have the, that there is, can be no, that there cannot be separate, separate regions. And this is one of the really dramatic new, new results of space research, namely that the properties of space has changed in a drastic way. And I am not speaking about the four-dimensional space in the Big Bang theories, I am speaking about the space, which is explored by space craft. Fifty years ago, it was believed that everything was vacuum outside the celestial bodies. Then it was observed that there was an interstellar medium, interplanetary medium, interstellar medium, and we heard earlier a lecture about that and it is, it was then natural to assume that this was a continuous medium. And it was natural to assume that also in our close neighbourhood in the environment of the Earth, the so-called magnetosphere, and in the interstell..., interplanetary space the so-called heliosphere or solar magnetosphere, that we had a homogeneous medium. This has not, is not correct. This is one of the most, most surprising results of space research. If you have the magnetic field as a function of the radius from the Earth, this is the Earth, and you go out and measure the magnetic field by spacecraft, it should be decay as r-3, and that is just what is does, out to about 10 Earth radii or something like that. Then it suddenly changes to the opposite sign and goes on like this. And this is a most dramatic change. It is, it takes place in a region which is a few cyclotron radii. It is a sudden change in the magnetization. So the magnetization here is in that direction and it is here in that direction. The magnetization of space is not continuous, it is discontinuous, it means that we have a current layer here. And such phenomena have been found not only in the magnetic poles, it has also been found in the magneto-tail of the Earth, in the solar equatorial plane, we have an outward-directed magnetic field which suddenly changes to the opposite and again there is a thin current layer. It has been found in the Jovian, in the Jupiter's magnetosphere, and so on. There’s half a dozen places where we observe this. It means that space in our close environment has a cellular structure. There are cells with that magnetization and there are cells with that magnetization. And it is rather a water-tight separation surfaces. And this is, this means that we have, space is no longer uniform. It consists of a number of cells and they are separated by current layers and on two sides of the current layer you have different magnetizations, different pressure, different densities, and perhaps you also could have different matters, different kinds of matter. Such thin layers, I will just show you here what it is. This is the interplanetary medium, this is the Earth, the Earth’s had a magnetic field like that, that is 50 years ago when space charge, when space research started, we got this picture, a neutral sheath here. Now, this is one of the later models. This is the Earth, and you’ll see a number of such layers. Space is drastically different from what it was earlier. And these interfaces cannot be detect, had, were not detected from the Earth. They cannot be detected unless a spacecraft penetrates it. Even if it comes close to it, you see no sign of it. We knew, hence, that space has this structure. How far out? As far as the spacecrafts go. And what is beyond that? No one knows. We cannot prove that it is, that it has the same cellular structure further out. It could very well be that we have a wonderful homogeneous model. But the limit is just as far as spacecrafts go. So perhaps it is easier to assume that this is a general property of space, that it always everywhere has this structure, and then (time is getting on). We can just see here a model of a layer separating matter and antimatter. We have supposed that in interplanetary space we have interstellar space, we have a region containing matter and another region containing antimatter. And then there will be a boundary layer where they keep in contact and they produce high-energy particles here. And you can calc..., you can see that these, the, the number of such particles which are produced is very small. You can, you have no hope of detecting it from any, any difference, any distance, and the distance which such a Leidenfrost layer occupies need only to be a 100th or a 1000ths or a 10,000ths of a light year. So we can very, very well assume that the cellular, if we, if we accept a cellular structure, we can very well think the universe divided in such regions. And this is important because it is obvious that it has cosmological consequences, quite a few of them, which I shouldn't go into more here. I should only like to say that it seems that with this, with the idea of a symmetric universe, you can explain quite a few of the, of the observations, which are embarrassing to the astrophysics and especially to cosmology, namely the enormous release of energy in the, in the QSOs, the so-called gamma ray bursts, quite a lot of the x-ray radiation and so on, but this will be, be take us too far. I thank you.

Ich danke Ihnen sehr für Ihren freundlichen Empfang. Es ist mir eine große Freude, hier zu sein und so vielen interessanten Vorträgen zuhören zu können. Und insbesondere freue ich mich darüber, dass so viele Physiker in andere Wissenschaftsgebiete vordringen. Gerade heute haben wir eine Reihe von ausgezeichneten Vorträgen über Biologie gehört. Und die Physiker haben alle möglichen Entschuldigungen dafür vorgebracht, dass sie sich jetzt damit beschäftigen. Ich finde, dass sie sich nicht entschuldigen müssen. Auch ich möchte gerne diesem Ansatz folgen, nämlich den Versuch unternehmen, in ein anderes Gebiet zu wechseln, auf dem ich ein Außenseiter bin. Ich möchte Ihnen nämlich die Ansichten eines Plasmaphysikers zur Kosmologie und zu astrophysikalischen Problemen generell präsentieren. Als entschuldigende Begründung für meine Vorgehensweise sollte ich vielleicht erwähnen, dass – wie wohl jeder weiß – 99,9999999% des Universums aus magnetisiertem Plasma bestehen. Deshalb mag es einem Plasmaphysiker erlaubt sein, seine Ansichten dazu vorzustellen. Und … wir haben hier wunderbare Vorträge über Kosmologie gehört und es wurde hier die allgemein akzeptierte Tatsache geäußert, dass die Urknallkosmologie die Kosmologie ist, die alles erklärt. Und natürlich bin ich sehr beeindruckt von dieser Kosmologie. Sie basiert auf der allgemeinen Relativitätstheorie. Und im Jahr des 100. Geburtstag Einsteins muss ich wohl nicht betonen, wie wunderbar, wie schön die allgemeine Relativitätstheorie ist. Und wenn man dann den Ausführungen von Professor Dirac über seine Version der allgemeinen Urknalltheorie zuhört, ist man natürlich ebenfalls sehr beeindruckt. Nach allgemeiner Auffassung handelt es sich also um eine wunderbare Theorie, die die gesamte Evolution des Universums ausgehend vom Urknall erklärt, als alle Materie, die wir heute kennen, noch in einem einzigen Punkt konzentriert war, in einem singulären Punkt. Natürlich sind auch eine Reihe von Schwierigkeiten mit dieser Theorie verbunden. Es gibt da einige Dinge, die etwas schwer zu verstehen sind, nämlich, dass die ganze Welt, die wir sehen, Lindau und der Bodensee und die gesamte Erde und die Planeten und die Sonne und die Galaxien und alles, dass all dies einmal in einem sehr kleinen Volumen verdichtet gewesen sein soll – so klein wie das hier oder das hier oder noch kleiner, denn ein kleiner Punkt ist sehr, sehr klein. Aber ich nehme Einstein und Professor Dirac ab, dass es so gewesen sein muss. Und zudem hört man die ausführlichen Beschreibungen über das, was in den ersten drei Minuten nach dem Urknall geschehen ist. Das alles wurde, wie Sie wissen, detailliert beschrieben. Man wundert sich etwas darüber, dass sich dieses Geschehen nicht so genau datieren lässt. Professor Dirac erwähnte, dass einige Menschen sagen, es sei vor zehn Milliarden Jahren geschehen, und andere, es liege 18 Milliarden Jahre zurück. Ich denke, dass diese Aussagen die generelle Situation widerspiegeln, dass nämlich enorme Unsicherheiten in Bezug auf bestimmte Aspekte bestehen, aber selbstverständlich nicht in Bezug darauf, was in den ersten drei Minuten geschah. Aber man fragt sich natürlich, was vor diesen drei Minuten geschah? Und ich habe bisher keine Antwort darauf erhalten, was vorher passiert ist. Das hat natürlich keine Bedeutung, weil vorher nichts existiert hat. Aber wie ist das alles ins Leben gekommen? Es gibt Menschen, die das alles für einen Beweis der Existenz Gottes halten, weil es Gott gewesen sein muss, der all dies zu einem bestimmten Moment erschaffen hat. Und das bedeutet, dass wir Wissenschaft und Theologie miteinander vermischen. Und an dieser Stelle bewegen wir uns in einem Grenzbereich. Und das ist etwas, was vielleicht etwas gefährlich ist. Aber wie ich bereits sagte, hinterlässt die wunderbare Schönheit der ganzen Theorie den stärksten Eindruck. Sie erklärt alles. Allerdings ist Schönheit etwa Gefährliches, auch in der Wissenschaft und insbesondere in der Kosmologie. Wenn wir uns die Geschichte der Wissenschaft anschauen, gab es auch andere Kosmologien, die wunderbar und schön waren. Denken Sie etwa an die Geschichte von der Erschaffung der Erde in sechs Tagen, ist das nicht eine wunderbare Kosmologie? Ja, das ist sie. Und trotz der Schönheit dieser Geschichte hat nie jemand so richtig daran geglaubt, zumindest nicht in der Wissenschaftsgemeinschaft. Und denken Sie an das wunderbare Ptolemäische System mit der Harmonie der sich drehenden Sphären und Kristallsphären, das ungefähr 1000 Jahre lang allgemein anerkannt war. Das war auch sehr schön. Aber auch daran glauben nur wenige Menschen, mit Ausnahme natürlich solcher, die an Astrologie glauben. Und das sind vielleicht mehr, als die, die an die Wissenschaft, an die Astronomie glauben. Aber die befinden sich gewissermaßen extra muros von uns, sie gehören nicht zur Wissenschaftsgemeinschaft. Der Grund dafür, dass diese wunderschönen Kosmologien nicht mehr anerkannt werden, ist doch wohl, dass sie nicht mit unseren Beobachtungen übereinstimmen. Denn Wissenschaft ist letzten Endes empirisch, im gewissen Maße empirisch. Wir haben wunderbare Theorien, über die wir so viel gehört haben. Aber liegt auch empirische Evidenz vor? Und wie passt sie zu den Theorien in diesem Bereich? Wir haben gehört, dass es überzeugende Beweise für die Urknall-Kosmologie gibt. Und wir haben gehört, dass in einigen Fällen in wenigen Monaten überzeugende Beweise zu erwarten sind. Aber lassen Sie uns ein wenig betrachten, wie all das … in welchem Umfang die Beobachtungen die Urknall-Theorie unterstützen. Mein allgemeiner Eindruck ist, dass alle wirklich guten Beobachtungen den Urknall unterstützen und alle schlechten Beobachtungen dem widersprechen. Was aber ist dann die Definition einer guten Beobachtung? Es ist eine Beobachtung, die den Urknall bestätigt, und die Definition einer schlechten Beobachtung, einer uninteressanten Beobachtung, ist dann eine, die den Urknall in Schwierigkeiten bringt. Wir haben von diesen wunderbaren Modellen gehört. Die Grundlage der Urknall-Theorie ist ein homogenes Modell, das von der allgemeinen Relativitätstheorie abgeleitet wurde. Die erste Frage lautet deshalb: Ist das Universum wirklich gleichförmig? Ist es isotrop? Betrachtet man den Sternenhimmel bei Nacht, sieht man etwas, das ganz und gar nicht uniform ist (Kann ich bitte das erste Dia haben?). Aber das ist nur eine lokale Anomalie. Das ist nur etwas, das sich hier in unserer direkten Nachbarschaft abspielt. Und auch, wenn man einen Blick auf die Galaxie, unsere Galaxie wirft, hat man nicht den Eindruck von einer gleichförmigen Verteilung von Materie. Aber auch das ist eine lokale Anomalie. Wenn wir uns weiter hinaus bewegen, sollten wir nach unserer Theorie in der Lage sein, eine einheitliche Theorie der Homogenität anzuwenden. Das heißt, dass solche Inseln im Weltraum homogen verteilt sein sollten. Nein, das ist nicht so, weil die Galaxien in Gruppen von Galaxien zusammengefasst sind, in Galaxiehaufen, und diese Haufen sind ebenfalls nicht homogen verteilt. Und sie bilden Galaxiensuperhaufen. Und dann hört unsere Information auf, weil, wenn wir zu den noch größeren Größen gehen, wissen wir rein gar nichts mit Gewissheit und aus Beobachtungen. Kann jemand den Diaprojektor, den Projektor hier einschalten? Dies hier ist eine grafische Darstellung von experimentellen Beobachtungsergebnissen von DeVancouleurs – die Korrelation zwischen maximaler Dichte und Radius einer Sphäre. Und das hier repräsentiert Galaxien, die durchschnittliche Dichte darin liegt bei circa 10^-23. Das hier sind Galaxiengruppen und Galaxienhaufen. Und das hier ist die größte messbare Einheit, also ein Super-, Superhaufen von Galaxiensuperhaufen, wie hier. Und Sie sehen, dass wir eher eine Hierarchie von immer geringer werdenden Dichten haben, wenn wir in sehr große Regionen hinausgehen. Hier sind wir ungefähr bei 10^26 cm, und der Hubble-Radius, der Radius des Universums, der mit 10^28 angegeben wird, ist noch einige oder zwei Größenordnungen entfernt. Und über diese Region wissen wir aus galaktischen Beobachtungen noch gar nichts. Wir wissen nicht, wie homogen sie ist. Es ist durchaus möglich, dass weiter draußen eine einheitliche Dichte besteht, die bei rund 10^29 liegt. Das ist, glaube ich, die Zahl, die Professor Dirac nannte. Wenn man allerdings, ohne einer beobachtbaren Tatsache zu widersprechen, die Extrapolation an dieser Stelle fortsetzt, landet man in dieser Entfernung bei 10^-34, 10^-32, also einer drei- bis vierfacher Größenordnung unter diesem Wert. Wir haben hier also offenbar eine Amplitude, über die uns die Beobachtungen nichts erzählen. Daran ist nichts auszusetzen. Wir können nicht sagen, dass die Uniformitätsvorstellung des Urknalls falsch ist. Aber wir können auch eine solche Lösung akzeptieren. Und vielleicht sollten wir uns dafür interessieren, zu welchem Ergebnis wir kommen, wenn wir der anderen Alternative Aufmerksamkeit schenken. Das heißt also, dass die Homogenität im sehr großen Maßstab, also die Homogenität des Universums oder der Metagalaxien oder des Teils der Galaxie des Universums, den wir hier erforschen, nicht durch Galaxienbeobachtungen bestätigt ist. Was ist der Hauptbeleg für diese Homogenität? Nun, das ist das wichtigste Phänomen, das in den letzten Jahren in der Astrophysik entdeckt wurde, nämlich die Schwarzkörperstrahlung, die vollkommen isotrop ist. Und das beweist, dass das Universum insgesamt vollkommen isotrop sein muss. Das stimmt mit der Urknalltheorie überein, und das ist tatsächlich das stärkste Argument, das es gibt. Soweit ich weiß, ist es auch das einzige Argument, das es gibt. Oder vielleicht sollte ich sagen, das es gab. Denn vor einem Jahr ist etwas sehr Bedauerliches passiert, als sich nämlich herausstellte, dass diese Strahlung nicht isotrop ist. Natürlich könnte das auf einer lokalen Anomalie beruhen. Aber auch, wenn man die Effekte der Galaxienrotation berücksichtigt, erhält man immer noch eine enorme Anisotropie in der Größenordnung einer Geschwindigkeit von 800 bis 1000 Kilometern pro Sekunde. Und auch, wenn man dann die Bewegung unserer Galaxie im Verhältnis zu anderen Galaxien im Virgo-Galaxienhaufen, welches die größere Einheit ist, berücksichtigt, erhält man keine bessere Isotropie. Es muss also eine noch größere Einheit geben, in der diese Anisotropie verursacht wird. Ich bin also überhaupt nicht sicher, ob wir uns darauf verlassen können. Dann kommt die Hubble-Expansion ins Spiel. Die Urknall-Theorie besagt, dass alles in einem einzelnen Punkt kondensiert war und die Galaxien von dort in alle Richtungen ausgezogen sind. Das stimmt zumindest in dem Maße, dass es eine Hubble-Expansion gibt und die Galaxien sich nach außen bewegen. Und dieses Diagramm zeigt das Verhältnis zwischen dem Abstand, der anhand der korrigierten, offensichtlichen Größenordnung der Galaxien gemessen wurde, und dies ist die Geschwindigkeit. Und man sieht, dass diese Punkte sehr gut auf eine Gerade passen, so, wie sie es laut Urknall-Theorie sollten. Sie sollten alle auf einer geraden Linie liegen, und natürlich gibt es auch Beobachtungsfehler, weil diese Messungen schwierig vorzunehmen sind. Wenn wir allerdings die einzelnen Beobachtungen hier nehmen – wir haben also den Abstand und die Geschwindigkeiten – könnten wir von dort ein Diagramm konstruieren, wie sie sich unter der durchaus angemessenen Annahme bewegt hätten, dass sie ihre Geschwindigkeit nicht verändert hätten. Das hier ist der Abstand von uns und das ist die Zeit. Und Sie sehen, wenn man in der Zeit zurückgeht, kommen sie alle näher zusammen. Jetzt wird jeder einzelne Punkt hier für eine solche Gerade verwendet und hier treffen sie zusammen. Es besteht also kein Zweifel, dass sich unsere Metagalaxie in der Gegenwart ausdehnt. Es stellt sich jedoch die Frage, ob sich diese Expansion notwendigerweise vom Urknall hier ableiten lässt? Das ist durchaus möglich. Man kann das nicht ausschließen, weil dies hier sehr gut auch Beobachtungsfehler sein könnten. Es kann durchaus sein, dass sich alles von einem einzigen Punkt hier abgeleitet hat, von dort ausgeht und sich dann wie hier ausgedehnt hat. Und die minimale Größe, die man hier sieht, kann sehr gut durch Beobachtungsfehler entstanden sein. Allerdings können wir diese Schlussfolgerung nicht auf Beobachtungen zurückführen. Wir können schlussfolgern, dass die Metagalaxie einmal wesentlich kleiner war als heute, also zur Hubble-Zeit, vor zehn Milliarden Jahren oder so, ungefähr ein Zehntel oder weniger davon ausgemacht hat. Es könnte Null gewesen sein, es könnte ein einzelner Punkt gewesen sein, es könnte aber auch viel größer gewesen sein. Das heißt also, dass wir bei dem Versuch, aus Beobachtungen einen früheren Zustand unserer Metagalaxie zu rekonstruieren, im Urknall-Modell enden können, aber hiernach auch in einem drastisch anderen Bild landen könnten. Wir haben hier den Hubble-Radius, die Hubble-Dichte und so weiter und so fort. Und hier ist das Beta, das ist die Geschwindigkeit, der verschiedenen Galaxien, die gemessen wurden. Und die Galaxien, deren Rotverschiebung man gemessen hat, weisen größtenteils eine Lichtgeschwindigkeit weiter unter 0,3 auf. Das ergibt eine Größenordnung von 3x10^27, wenn wir den Hubble-Radius von 10^28 zugrunde legen. Professor Dirac hat ein Modell vorgestellt, in dem er, wie er sagte, speziell den Teil des Universums beschreibt, der mit einer Geschwindigkeit von weniger als der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit zurückgeht, die wir hier annehmen können. Und hier können wir von 0,4 als ungefährem Durchschnitt ausgehen. Ich sage das nur, um zu zeigen, wo man landet, wenn man das weiterverfolgt. Wenn man die gesamte Restmasse der Metagalaxie hier und die Restmasse der Energie nimmt und mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multipliziert, was 483 ergibt – die Einheiten sind 10^70 erg. Das sind rund 5%. Also weist der uns bekannte Teil des Universums, den wir mit einem gewissen Maß an Sicherheit beobachtet haben, eine kinetische Energie von rund 5% – etwas abweichend hier – der Restmasse auf. Also muss von irgendwoher eine Energie in die Metagalaxie einströmen, die ungefähr 20% ergibt und die, sofern wir das konstruieren können … ich habe nicht so viel Zeit, ich merke die Zeit verrinnt sehr schnell ... Dies ist eine Tabelle dazu, was wir hier vorfinden. Interessant ist, dass wir hier die Mindestgröße der Metagalaxie sehen, und was interessant ist, dass wir uns auch bei der Mindestgröße hundertfach außerhalb der Schwarzschild-Grenze befinden, was bedeutet, dass die Berichtigung um den Effekt der allgemeinen Relativität nur 1% beträgt. Was bedeutet das? Es bedeutet, dass wir bei unseren Untersuchungen der Galaxie natürlich in unserer unmittelbaren Nachbarschaft Effekte der allgemeinen Relativität gemessen haben. Wenn wir das Verhalten der Galaxie untersuchen, wendet niemand von uns die allgemeine Relativitätstheorie an. Alle Bewegungen dort können verwendet und mit klassischen Techniken berechnet werden. Wenn wir weitergehen, sehr viel weitergehen, können wir, sobald wir uns weit von der allgemeinen Schwarzschild-Grenze entfernt haben, mit einem hohen Maß an Sicherheit klassische Mechanismen einsetzen und die euklidische Geometrie anwenden. Somit haben wir mit diesem Modell tatsächlich eine Berichtigung um die Effekte der allgemeinen Relativität von 1% und von 10, vielleicht 25% für die Effekte der speziellen Relativität. Sie sehen also, dass dies ein mögliches Modell ist, das, wie ich bereits sagte, gut mit den Beobachtungen, mit den Beobachtungsdaten der Urknall-Theorie vereinbar ist, soweit ich das beurteilen kann. Allerdings kommt jetzt noch etwas anderes hinzu. In der Astrophysik wurden so viele interessante Phänomene beobachtet. Und zu den spektakulärsten Ereignissen, zu den dramatischsten Dingen zählen die QSOs (Quasistellare Objekte), die Quasare. Die Quasare haben Geschwindigkeiten, Rotverschiebungen, die wesentlich höher sind als die der Galaxie. Unter der Annahme, dass die Quasare, die QSOs, eine Rotverschiebung aufweisen, die kosmologisch begründet, also auf den Urknall zurückzuführen ist, kann man von einem Punkt ausgehen, von 0,3 der Lichtgeschwindigkeit, 0,4 bis fast zur Lichtgeschwindigkeit. Man hat Rotverschiebungen von bis zu 2 oder 3 oder sogar darüber. Die entscheidende Frage ist also, ob die Rotverschiebungen der QSOs kosmologisch bedingt sind oder nicht. Die Rotverschiebungen, die QSOs, sind ein sehr, sehr interessantes, sehr faszinierendes Untersuchungsobjekt. Hier habe ich eine kurze Übersicht über ihre Eigenschaften. Sie sind in der allgemeinen kosmologischen Diskussion nicht wirklich gut bekannt. Der Grund dafür ist ganz einfach der, dass sie für die Urknall-Kosmologie sehr unangenehm sind. Es gibt keine auf der Hand liegende Erklärung dafür und sie verursachen erhebliche Schwierigkeiten. Die QSOs repräsentieren enorme Energiefreisetzungen – in der Größenordnung der Annihilation einer Sonnenmasse pro Jahr und zum Teil sogar darüber. Sie weisen sehr große Rotverschiebungen auf und die kontroverse Frage lautet, ob diese Rotverschiebungen kosmologisch bedingt sind oder durch andere Mechanismen verursacht werden? Und dann sollten wir hier speziell beachten, dass sich einige QSOs in der Nähe von Galaxien befinden und in bestimmten Fällen die gleiche Rotverschiebung aufweisen wie die Galaxie. Aber es gibt viele Fälle und zweifelsohne sehr überzeugende Belege für QSOs in der unmittelbaren Nähe von Galaxien, die ganz andere Rotverschiebungen aufweisen. Dies wurde durch Messungen von Margaret Burbidge nachgewiesen. Die Burbidges haben sehr stringente Belege für nicht-kosmologische Rotverschiebungen geliefert. Sie sind in Pasadena tätig und haben sehr schöne Messungen vorgenommen. Es muss also Mechanismen geben, durch die diese QSOs so nah an die Lichtgeschwindigkeit herankommen, ohne dass diese Geschwindigkeiten kosmologisch … durch den Urknall erzeugt wurden. Und man kann hier sehen, welche Anforderungen hier gegeben sind. Wenn man die enormen Energiefreisetzungen zugrunde legt, die gemessen wurden, und die Bedingung einführt, dass diese Energie in einer Richtung abgegeben wird, erhält man Werte bis zu diesen Geschwindigkeiten. Das ist eine der möglichen Erklärungen für die QSOs. Das bedeutet, dass die sehr hohen Geschwindigkeiten, die wir beobachten, nicht notwendigerweise kosmologisch bedingt sein müssen. Es gibt also noch weitere Mechanismen. Aber welche Mechanismen sind das? Welcher Mechanismus erzeugt die Energie für die QSOs? Wir erkennen direkt, dass die Kernenergie, die für die Energie der Sterne verantwortlich ist, bei weitem nicht ausreicht. Es gibt also drei Möglichkeiten. Wir müssen entweder ein neues physikalisches Gesetz erfinden, das uns diese enormen Energiefreisetzungen erklärt, womit wir uns wahrscheinlich ein bisschen schwer tun werden. Dann bleiben noch zwei weitere Alternativen übrig. Eine heißt Gravitationsenergie und die andere Annihilation. Was die Gravitationsenergie betrifft, sind zahlreiche Theorien entwickelt worden, nach denen schwarze Löcher diese riesigen Energiefreisetzungen produzieren. Wenn man allerdings versucht, eine Theorie für die Beschleunigung der QSOs zu konzipieren, stellt man fest, dass man sich in sehr ernsthafte Schwierigkeiten begibt. Und dann gibt es noch die Möglichkeit der Annihilation als Energiequelle. Und damit kommt eine interessante Frage ins Spiel, nämlich: Gibt es im Universum Antimaterie? Gibt es im Universum eine Symmetrie von Materie und Antimaterie? Darüber wurde bereits viel spekuliert. Und es war Oscar Klein in Stockholm, der vor zwanzig Jahren systematische Bemühungen unternommen hat, ein kosmologisches Modell mit einer Symmetrie von Materie und Antimaterie zu entwickeln. Dieses Modell hat viel Widerspruch gefunden, der im Wesentlichen damit zusammenhängt, dass bei einer Mischung von Materie und Antimaterie im Universum eine enorme Gammastrahlung vorhanden sein müsste und eine sehr schnelle Annihilation von allem erfolgen würde, so dass dieser Zustand nicht lange Bestand haben könnte. Das alles beruht allerdings auf der Annahme, dass es ein homogenes Universum gibt, dass es keine separaten Regionen gibt. Und das ist eines der wirklich spektakulären neuen Ergebnisse der Weltraumforschung, dass sich nämlich die Merkmale des Weltraums drastisch verändert haben. Und ich spreche hier nicht über den vierdimensionalen Raum in den Urknall-Theorien, sondern ich spreche über den Weltraum, der mit Weltraumtechnik erforscht wurde. Vor 50 Jahren ging man davon aus, dass alles außerhalb der Himmelskörper ein Vakuum ist. Dann wurde festgestellt, dass es ein interstellares Medium, ein interplanetarisches Medium gibt. Darüber haben wir bereits einen Vortrag gehört. Und das führte natürlich zu der Schlussfolgerung, dass es sich dabei um ein kontinuierliches Medium handelt. Und natürlich lag die Annahme nahe, dass auch in unserer unmittelbaren Nachbarschaft, im Umfeld der Erde, in der so genannten Magnetosphäre und im interstellaren, interplanetarischen Raum, der so genannten Heliosphäre oder Solarmagnetosphäre, ein homogenes Medium besteht. Das hat sich aber nicht bestätigt. Das ist eines der überraschendsten Ergebnisse der Weltraumforschung. Wenn man das Magnetfeld als Funktion des Erdradius nimmt und das Magnetfeld dann mit einem Raumflugkörper misst, sollte es als r^-3 zerfallen. Und genau das geschieht bis in rund 10 Erddurchmessern oder so ungefähr. Dann wechselt es plötzlich in die entgegengesetzte Ladung und entwickelt sich in dieser Richtung weiter. Und das ist eine sehr spektakuläre Veränderung. Sie erfolgt in einer einige Zyklotron-Radien entfernt liegenden Region. Es ist ein plötzlicher Magnetisierungswechsel. Die Magnetisierung hier verläuft in diese Richtung und hier in die andere Richtung. Die Magnetisierung des Weltraums ist also nicht kontinuierlich, sondern diskontinuierlich. Das bedeutet, dass wir hier eine Stromschicht haben. Solche Phänomene wurden nicht nur an den Magnetpolen festgestellt, sondern auch im Magnetschweif der Erde, in der Sonnenäquatorebene. Es ist ein nach außen gerichtetes Magnetfeld, das sich plötzlich umkehrt. Und auch dort gibt es wieder eine dünne Stromschicht. Sie wurde auch in der Magnetosphäre des Jupiters usw. gefunden. Es gibt ein halbes Dutzend Orte, wo wir dies beobachten. Das heißt also, dass der Weltraum in unserer benachbarten Umgebung eine Zellenstruktur aufweist. Es gibt Zellen mit der einen Magnetisierung und Zellen mit der anderen Magnetisierung. Und es handelt sich um ziemlich wasserfeste Trennflächen. Und das bedeutet, dass wir einen Weltraum haben, der nicht mehr gleichförmig ist. Er besteht aus mehreren Zellen, die durch Stromschichten getrennt sind. Und an zwei Seiten der Stromschicht bestehen unterschiedliche Magnetisierungen, unterschiedliche Drücke, unterschiedliche Dichten und vielleicht auch unterschiedliche Materien, unterschiedliche Arten von Materien. Solche dünnen Schichten möchte ich Ihnen hier zeigen. Dies ist das interplanetarische Medium, dies ist die Erde. Und die Erde hatte ein Magnetfeld wie dieses hier. Das war vor 50 Jahren, als die Raumladung, die Weltraumforschung ihren Anfang nahm, hatten wir dieses Bild einer neutralen Hülle. Das hier ist dann eines der späteren Modelle. Dies ist die Erde und man sieht zahlreiche solcher Schichten. Der Weltraum unterscheidet sich enorm von dem, was er früher war. Und diese Grenzflächen konnten von der Erde aus nicht entdeckt werden und wurden nicht entdeckt. Sie können erst entdeckt werden, wenn ein Weltraumfahrzeug sie durchdringt. Selbst ganz in der Nähe gibt es keine Anzeichen dafür. Wir wissen demzufolge, dass der Weltraum diese Struktur aufweist. Wie weit? So weit, wie die Weltraumfahrzeuge reisen. Und was ist dahinter? Keiner weiß es. Wir können nicht beweisen, dass weiter draußen die gleiche zellartige Struktur vorherrscht. Es könnte durchaus sein, dass dort ein wunderbar homogenes Muster herrscht. Aber die Grenzen werden durch die Entfernungen gesetzt, die mit der Weltraumtechnik erreicht werden. Deshalb ist es vielleicht einfacher, davon auszugehen, dass dies eine allgemeine Eigenschaft des Weltraums ist, dass er immer und überall diese Struktur aufweist und dann (die Zeit verrinnt)... Wir sehen hier das Modell einer Schicht, die Materie und Antimaterie voneinander trennt. Wir sind von der Annahme ausgegangen, dass es im interplanetarischen Raum, interstellaren Raum eine Region gibt, die Materie enthält, und eine andere Region, die Antimaterie enthält. Und dann gibt es eine Grenzschicht, wo die beiden in Kontakt sind. Und hier erzeugen sie Hochenergieteilchen. Und man kann sehen, dass die Anzahl solcher Teilchen, die produziert werden, sehr gering ist. Und man kann nicht darauf hoffen, dass man es aus der Entfernung entdecken kann. Und die Entfernung, auf die sich eine solche Leidenfrost-Schicht erstreckt, braucht nur ein Hundertstel oder ein Tausendstel oder ein Zehntausendstel eines Lichtjahres zu sein. So können wir sehr wohl davon ausgehen, dass, wenn wir eine Zellenstruktur annehmen, die Vorstellung möglich ist, dass das Universum in solche Regionen unterteilt ist. Und das ist wichtig, weil es offensichtlich kosmologische Konsequenzen hat, und zwar einige, auf die ich hier nicht näher eingehen werde. Aber ich möchte noch sagen, dass sich hiermit, mit der Idee eines symmetrischen Universums, einige der Beobachtungen erklären lassen, die unangenehm für die Astrophysik und speziell für die Kosmologie sind, nämlich die enorme Freisetzung von Energie in den QSOs, die so genannten Gammablitze, eine Vielzahl der Röntgenstrahlung usw., aber das würde uns jetzt hier zu weit führen. Ich danke Ihnen.

Hannes Alfvén (1979)

Observations and Cosmology

Hannes Alfvén (1979)

Observations and Cosmology

Comment

When Hannes Alfvén gave his talk at Lindau, he was well known by the general public in Sweden as the eminent scientist and Nobel Laureate who was strongly opposed to nuclear power for environmental reasons. Among his scientific colleagues world-wide, he was at the same time known to be a strong opponent of the prevailing theory of the birth of the Universe, the Big Bang theory. In Lindau he spoke to an audience of students, young researchers and Nobel Laureates, most of whom probably whole-heartedly accepted the Big Bang theory. Alfvén had been active as a political speaker in Sweden for some years and it is interesting to hear him use an old rhetorical technique to try to make his point. He several times first gives praise to the “beautiful theory” or “wonderful model” and then almost immediately brings up his criticism: “What happened before?”, “But the Universe is not homogeneous”, etc. So does Alfvén have an alternative theory? Since the 1960’s he had been working on a model of the Universe originally put forward by Oskar Klein, professor of theoretical physics at Stockholm University. In this model the Universe contains equal amounts of matter and antimatter, so that some stars that we see are made of matter and others of antimatter. When matter meets antimatter a violent annihilation tales place and energy in the form of electromagnetic radiation is emitted (radio waves, light, X-rays, gamma-rays, etc). As a plasma physicist, Alfvén had been working on mechanisms that would keep matter and antimatter mostly separated from each other. At the end of his talk, he first brings up annihilation as a possible energy source driving the very energetic stellar objects named quasars. He then describes spacecrafts actually finding a cellular structure with cell boundaries having magnetic fields in different directions. Even if a few scientists are still working on the Klein and Alfvén model of the Universe, it is today looked upon as dated. But what will never be dated is Alfvén’s strong scientific plea never to accept “final solutions” because they are beautiful, but to always look out for new empirical evidence!

Anders Bárány

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