Fred Hoyle

Der Weltraum ist überhaupt nicht weit entfernt. Es ist nur eine Autostunde entfernt, wenn dein Auto gerade nach oben fahren könnte.

Sir Fred Hoyle war ein englischer Astronom, der die Theorie der Stellaren Nukleosynthese formulierte. Er vertrat auch umstrittene Positionen zu anderen wissenschaftlichen Fragen – insbesondere seine Ablehnung der „Big-Bang"-Theorie, ein Begriff, den er in der BBC-Radiosendung prägte, und seine Förderung der Panspermie als Ursprung des Lebens auf der Erde. Er schrieb auch Science-Fiction-Romane, Kurzgeschichten und Radiospiele und verfasste gemeinsam mit seinem Sohn Geoffrey Hoyle zwölf Bücher. Den Großteil seines Berufslebens verbrachte er am Institute of Astronomy in Cambridge und war sechs Jahre lang dessen Direktor.

Frühen Leben und Karriere

Hoyle wurde in der Nähe von Bingley in Gilstead, West Riding of Yorkshire, England, geboren. Sein Vater, Ben Hoyle, der Geiger war und in der Wollbranche in Bradford tätig war, diente als Maschinengewehrschütze im Ersten Weltkrieg. Seine Mutter, Mabel Pickard, hatte Musik am Royal College of Music in London studiert und arbeitete später als Kinopianistin. Hoyle besuchte die Bingley Grammar School und studierte Mathematik am Emmanuel College in Cambridge.

1936 gewann er gemeinsam mit George Stanley Rushbrooke den Mayhew Prize.

Ende 1940 verließ Hoyle Cambridge, um nach Portsmouth zu gehen und für die Admiralität an der Radarforschung zu arbeiten, beispielsweise eine Methode zur Bestimmung der Höhe ankommender Flugzeuge zu entwickeln. Ihm wurde auch die Verantwortung für Gegenmaßnahmen gegen die radargesteuerten Kanonen der Graf Spee übertragen. Britanniens Radarprojekt beschäftigte mehr Personal als das Manhattan-Projekt und war wahrscheinlich die Inspiration für das große britische Projekt in The Black Cloud. Zwei Schlüsselkollegen in dieser Kriegsarbeit waren Hermann Bondi und Thomas Gold, und die drei führten viele tiefgründige Diskussionen über Kosmologie. Die Radararbeit ermöglichte ein paar Reisen nach Nordamerika, wo er die Gelegenheit nutzte, Astronomen zu besuchen. Bei einer Reise in die USA erfuhr er von Supernovae in Caltech und Mount Palomar und in Kanada von der Kernphysik der Plutonium-Implosion und -Explosion, bemerkte eine gewisse Ähnlichkeit zwischen den beiden und begann über die Nukleosynthese von Supernovae nachzudenken. Er hatte damals eine Intuition: „Ich werde mir einen Namen machen, wenn das funktioniert." Letztendlich kam 1954 sein vorausschauendes und bahnbrechendes Papier heraus. Er bildete auch eine Gruppe in Cambridge, die die Stellare Nukleosynthese in gewöhnlichen Sternen untersuchte, und war beunruhigt durch die geringe Menge an Stellarer Kohlenstoffproduktion in bestehenden Modellen. Er bemerkte, dass einer der bestehenden Prozesse eine Milliarde Mal produktiver wäre, wenn der Kohlenstoff-12-Kern eine Resonanz bei 7,7 MeV hätte, aber die Kernphysiker führten solch eine nicht auf. Bei einer anderen Reise besuchte er die Kernphysik-Gruppe am Caltech, verbrachte dort einige Monate Sabbatical und überredete sie trotz ihres erheblichen Skeptizismus, nach dem Hoyle-Zustand in Kohlenstoff-12 zu suchen und diesen zu finden, woraus sich eine vollständige Theorie der Stellaren Nukleosynthese entwickelte, die von Hoyle gemeinsam mit einigen Mitgliedern der Caltech-Gruppe verfasst wurde.

Nach dem Krieg, 1945, kehrte Hoyle zur Cambridge University zurück und begann als Dozent am St John's College, Cambridge. Hoyles Cambridge-Jahre, 1945–1973, sahen ihn an die Spitze der Weltraumastrophysik-Theorie aufsteigen, basierend auf einer verblüffenden Originalität von Ideen, die ein sehr breites Spektrum von Themen abdeckten. 1958 wurde Hoyle zum illustren Plumian Professor of Astronomy and Experimental Philosophy an der Cambridge University ernannt. 1967 wurde er Gründungsdirektor des Institute of Theoretical Astronomy, das später in Institute of Astronomy, Cambridge, umbenannt wurde, wobei Hoyles innovative Leitung schnell dazu führte, dass diese Institution zu einer der führenden Gruppen der Welt für theoretische Astrophysik wurde. 1971 wurde er eingeladen, die MacMillan Memorial Lecture für die Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland zu halten. Er wählte das Thema „Astronomische Instrumente und ihre Konstruktion". Hoyle wurde 1972 geadelt. Hoyle trat 1972 von seiner Position als Plumian Professor zurück und 1973 von seiner Direktorposition des Instituts, ein Schritt, der ihn praktisch von den meisten seiner Machtbasis in der Etabliertheit, seinen Verbindungen und seinem sicheren Einkommen abschnitt.

Nach seinem Weggang aus Cambridge schrieb Hoyle viele populärwissenschaftliche und Science-Fiction-Bücher und hielt Vorträge in der ganzen Welt. Teil der Motivation war einfach, ein Mittel zur Unterstützung zu schaffen. Hoyle war seit 1967 Mitglied des gemeinsamen Politikausschusses, während der Planungsphase für das 150-Zoll Anglo-Australian Telescope am Siding Spring Observatory in New South Wales. Er wurde 1973 Vorsitzender des Anglo-Australian Telescope Board und präsidierte seine Einweihung 1974 durch Charles, Prince of Wales. Nach seinem Rücktritt aus Cambridge zog Hoyle in die Lake District und verbrachte seine Zeit mit einer Mischung aus Wanderungen über die Moore, dem Schreiben von Büchern, dem Besuch von Forschungszentren auf der ganzen Welt und der Arbeit an wissenschaftlichen Ideen, die beinahe universell abgelehnt wurden. Am 24. November 1997 fiel Hoyle während einer Wanderung über Moorlandschaften in West Yorkshire, in der Nähe seines Kinderheims in Gilstead, in einen steilen Ravine namens Shipley Glen. Etwa zwölf Stunden später wurde Hoyle von einem Suchhund gefunden. Er wurde zwei Monate lang im Krankenhaus mit Lungenentzündung und Nierenproblemen, die beide durch Unterkühlung verursacht wurden, sowie mit einer gebrochenen Schulter durch den Sturz behandelt. Danach verfiel er in offensichtlichen Niedergang und litt unter Gedächtnis- und psychischen Beweglichkeitsproblemen. 2001 erlitt er eine Reihe von Schlaganfällen und starb in Bournemouth am 20. August desselben Jahres.

Ursprung der Nukleosynthese

Hoyle verfasste die ersten zwei je veröffentlichten Forschungsarbeiten über die Synthese der chemischen Elemente schwerer als Helium durch Kernreaktionen in Sternen. Die erste davon 1946 zeigte, dass die Kerne von Sternen sich zu Temperaturen von Milliarden Grad entwickeln, viel heißer als Temperaturen, die für die thermonukleare Herkunft der Stellaren Kraft in Hauptreihesternen in Betracht gezogen wurden. Hoyle zeigte, dass bei solch hohen Temperaturen das Element Eisen viel häufiger werden kann als andere schwere Elemente aufgrund des thermischen Gleichgewichts zwischen Kernpartikeln, was die hohe natürliche Häufigkeit von Eisen erklärt. Diese Idee würde später als e-Prozess bezeichnet. Hoyles zweite grundlegende Nukleosynthese-Veröffentlichung zeigte, dass die Elemente zwischen Kohlenstoff und Eisen nicht durch solche Gleichgewichtsprozesse synthetisiert werden können. Er attributierte diese Elemente spezifischen Kernfusionsreaktionen zwischen reichlich vorhandenen Bestandteilen in konzentrischen Schalen entwickelter massereicher, prä-Supernova-Sterne. Dieses verblüffend moderne Bild ist das akzeptierte Paradigma heute für die Supernova-Nukleosynthese dieser primären Elemente. Mitte der 1950er Jahre wurde Hoyle zum Anführer einer Gruppe von sehr talentierten Experimental- und Theoretischen Physikern, die sich in Cambridge trafen: William Alfred Fowler, Margaret Burbidge und Geoffrey Burbidge. Diese Gruppe systematisierte grundlegende Ideen darüber, wie alle chemischen Elemente in unserem Universum entstanden sind, wobei dies jetzt ein Feld ist, das Nukleosynthese genannt wird. Berüchtigt erstellte diese Gruppe 1957 das B2FH-Paper, bekannt für die Initialen der vier Autoren, in dem das Feld der Nukleosynthese in komplementäre Kernprozesse organisiert wurde. Sie fügten auch viel neues Material über die Synthese schwerer Elemente durch Neutroneneinfang-Reaktionen hinzu, die sogenannten s-Prozess und r-Prozess. Das B2FH-Paper wurde so einflussreich, dass es für den Rest des zwanzigsten Jahrhunderts zur Standard-Zitierung von fast allen Forschern wurde, die einen akzeptierten Ursprung für die Nukleosynthese-Theorie zitieren wollten, und als Ergebnis fiel das bahnbrechende Hoyle-Paper von 1954 in Vergessenheit. Historische Forschung im 21. Jahrhundert hat Hoyles Paper von 1954 zurück zu wissenschaftlicher Prominenz gebracht. Diese historischen Argumente wurden zuerst einer Versammlung von Nukleosynthese-Experten vorgestellt, die eine 2007-Konferenz am Caltech besuchten, die nach dem Tod sowohl von Fowler als auch von Hoyle organisiert wurde, um das 50-jährige Jubiläum der Veröffentlichung von B2FH zu feiern. Ironischerweise überprüfte das B2FH-Paper nicht Hoyles Zuschreibung von 1954 zur Supernova-Schalen-Herkunft der Elemente zwischen Silizium und Eisen, trotz Hoyles Co-Autorenschaft von B2FH. Basierend auf seinen vielen persönlichen Diskussionen mit Hoyle hat Donald D. Clayton diese scheinbar unerklärliche Auslassung in B2FH dem Mangel an Korrekturlesen durch Hoyle des Entwurfs zugeordnet, der 1956 am Caltech von G.R. Burbidge und E.M. Burbidge zusammengestellt wurde.

Das zweite von Hoyles Nukleosynthese-Papieren führte auch eine interessante Verwendung des anthropischen Prinzips ein, die damals nicht unter diesem Namen bekannt war. Um die Routen der Stellaren Nukleosynthese zu erforschen, berechnete Hoyle, dass eine bestimmte Kernreaktion, der Triple-Alpha-Prozess, der Kohlenstoff aus Helium erzeugt, erfordern würde, dass der Kohlenstoffkern eine sehr spezifische Resonanzenergie und einen sehr spezifischen Spin hätte, damit es funktionieren würde. Die große Menge an Kohlenstoff im Universum, die es möglich macht, dass kohlenstoffbasierte Lebensformen jeglicher Art existieren, demonstrierte Hoyle, dass diese Kernreaktion funktionieren musste. Basierend auf dieser Vorstellung sagte Hoyle daher die Werte der Energie, des Kernspin und die Parität des zusammengesetzten Zustands im Kohlenstoffkern voraus, der durch drei Alpha-Teilchen Heliumkerne gebildet wird, was später durch Experiment bestätigt wurde.

Diese Energiestufe war, obwohl notwendig, um Kohlenstoff in großen Mengen zu produzieren, statistisch sehr unwahrscheinlich, an der Stelle zu fallen, an der sie im Schema der Kohlenstoff-Energiestufen liegt. Hoyle schrieb später:

Würde man sich nicht selbst sagen: „Ein super-berechnender Intellekt muss die Eigenschaften des Kohlenstoffatoms entworfen haben, ansonsten wäre die Chance, ein solches Atom durch die blinden Kräfte der Natur zu finden, absolut winzig. Eine logische Auslegung der Fakten deutet darauf hin, dass eine Superintelligenz die Physik manipuliert hat, sowie die Chemie und Biologie, und dass es keine erwähnenswerten blinden Kräfte in der Natur gibt. Die Zahlen, die ich aus den Fakten berechne, erscheinen mir so überwältigend, dass diese Schlussfolgerung fast außer Frage steht."

Sein Mitarbeiter William Alfred Fowler gewann schließlich 1983 den Nobelpreis für Physik mit Subrahmanyan Chandrasekhar, aber aus irgendeinem Grund wurde Hoyles ursprünglicher Beitrag von den Wählern übersehen, und viele waren überrascht, dass ein so bemerkenswerter Astronom ausgelassen wurde. Fowler selbst bestätigte in einer autobiografischen Skizze Hoyles Pionierleistungen:

Eine blaue Plakette an der Bingley Grammar School zu seinem Gedenken. Das Konzept der Nukleosynthese in Sternen wurde zuerst 1946 von Hoyle etabliert. Dies bot eine Möglichkeit, die Existenz von Elementen schwerer als Helium im Universum zu erklären, im Grunde durch den Nachweis, dass kritische Elemente wie Kohlenstoff in Sternen generiert und dann in anderen Sternen und Planeten eingebunden werden können, wenn dieser Stern „stirbt". Die nun gebildeten neuen Sterne beginnen jetzt mit diesen schwereren Elementen und noch schwerere Elemente entstehen aus ihnen. Hoyle theoretisierte, dass andere seltenere Elemente durch Supernovae erklärt werden könnten, die riesigen Explosionen, die gelegentlich überall im Universum auftreten und deren Temperaturen und Drücke erforderlich wären, um solche Elemente zu schaffen.

Ablehnung des Big Bang

Obwohl er keine Einwände gegen die Lemaître-Theorie hatte, die später durch Edwin Hubbles Beobachtungen bestätigt wurde, dass sich das Universum ausdehnt, war Hoyle mit ihrer Interpretation nicht einverstanden. Er fand die Idee, dass das Universum einen Anfang hatte, als Pseudowissenschaft, ähnlich Argumenten für einen Schöpfer, „denn es ist ein irrationaler Prozess und kann nicht in wissenschaftlichen Begriffen beschrieben werden" siehe Kalam kosmologisches Argument. Stattdessen argumentierten Hoyle und Thomas Gold und Hermann Bondi, mit denen er im Zweiten Weltkrieg an Radarforschung gearbeitet hatte, ab 1948 für das Universum als im „Steady-State" und formulierten ihre Steady-State-Theorie. Die Theorie versuchte zu erklären, wie das Universum ewig und im Wesentlichen unveränderlich sein könnte, während sich die Galaxien, die wir beobachten, voneinander entfernen. Die Theorie hing von der Schaffung von Materie zwischen Galaxien über die Zeit ab, so dass, obwohl Galaxien sich weiter entfernen, neue, die sich zwischen ihnen entwickeln, den Raum füllen, den sie hinterlassen. Das resultierende Universum ist in einem „Steady-State" auf die gleiche Weise wie ein fließender Fluss – die einzelnen Wassermoleküle bewegen sich weg, aber der gesamte Fluss bleibt gleich.

Die Theorie war eine Alternative zum Big Bang, die wie der Big Bang mit Schlüsselbeobachtungen der Zeit übereinstimmte, nämlich Hubbles Rotverschiebungsbeobachtungen, und Hoyle war ein starker Kritiker des Big Bang. Er prägte den Begriff „Big Bang" in der Sendung BBC Third Programme vom 28. März 1949. Es wurde von George Gamov und seinen Gegnern populär berichtet, dass Hoyle beabsichtigte, abwertend zu sein, und das Skript, das er vorlas, wurde von seinen Gegnern als „eitel, einseitig, beleidigend, nicht würdig der BBC" interpretiert. Hoyle bestritt ausdrücklich, beleidigend zu sein, und sagte, dass es nur ein schlagkräftiges Bild war, das beabsichtigt war, den Unterschied zwischen den beiden Theorien für das Radiopublikum zu betonen. In einem anderen BBC-Interview sagte er: „Der Grund, warum Wissenschaftler den „Big Bang" mögen, ist, dass sie vom Buch Genesis überschattet werden. Es ist tief in der Psyche der meisten Wissenschaftler verankert, an die erste Seite der Genesis zu glauben".

Hoyle hatte einen berüchtigten heftigen Streit mit Martin Ryle von der Cavendish Radio Astronomy Group über Hoyles Steady-State-Theorie, die die Zusammenarbeit zwischen der Cavendish etwas einschränkte