Willem de Sitter: Ein unbefangener Kosmologe

Mitten im Ersten Weltkrieg, als der wissenschaftliche Austausch zwischen Deutschland und England abgebrochen war, schickte Willem de Sitter im neutralen Holland Einsteins Arbeiten zur Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) an seinen britischen Kollegen Arthur Stanley Eddington. Der Sendung fügte er eine selbst verfasste englische Artikelserie zur ART bei. Sie erschien 1917 unter dem Titel: „On Einstein’s theory of gravitation and its astronomical consequences“ in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Im dritten Teil der Artikelserie brachte de Sitter auch eigene Ideen ein, die aus seiner Kontroverse mit Einstein über kosmologische Modelle hervorgegangen waren. Er bereitete damit die Sonnenfinsternis-Expedition Arthur Eddingtons vor, mit der die ART 1919 eine erste experimentelle Bestätigung fand, und die Einsteins Weltruhm begründete.

Willem de Sitter, geboren am 6. Mai 1872 in Sneek, Niederlande, war der Sohn eines Richters, der später Präsident des Gerichtshofes von Arnhem wurde. Zum Leidwesen des Vaters brach er mit der Familientradition, als er sich 1891 entschloss, Mathematik und Physik zu studieren. Während seines Studiums an der Universität Groningen half er Jacobus Kapteyn, dem Professor für Astronomie und Theoretische Mechanik, bei der Auswertung fotografischer Platten. Diese stammten von David Gill, der sie am Cape Town Observatorium in Südafrika bei der Durchmusterung des südlichen Sternenhimmels aufgenommen hatte.

Eines Tages kam Gill zu Besuch, lernte de Sitter kennen und war von seinen Fähigkeiten so beeindruckt, dass er ihm eine Stelle als Rechner (computer) in Kapstadt anbot. Ein Jahr später, nach dem Abschluss seines Vorexamens, traf der 25-Jährige in Kapstadt ein. Gill ermutigte ihn, parallel zu seiner theoretischen und praktischen Arbeit am Observatorium mit seiner Dissertation zu beginnen. Er begeisterte den jungen Forscher für die Auswertung von Heliometer-Beobachtungen der Jupitermonde.

De Sitter beendete seine Dissertation 1901 bei seiner Rückkehr nach Groningen, doch die Jupitermonde sollten ihn auch in den nächsten 30 Jahren noch beschäftigen. Als er später die Zeitpunkte untersuchte, zu denen die Monde sich verfinstern, stellte er fest, dass dies auf Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde zurückging. Das brachte ihn auf ein neues Thema, nämlich den Einfluss der Gezeitenreibung auf das Trägheitsmoment der Erde und auf die Mondbahn. 1931 wurde er für diese Arbeiten mit der Goldmedaille der Royal Astronomical Society ausgezeichnet.

Zurück zum Jahr 1901. In Groningen erhielt de Sitter eine Assistentenstelle bei Kapteyn, der ihm große Freiheit ließ. Kapteyn war ihm nicht nur Mentor und Berater, sondern auch lebenslanger Freund. Diese Freundschaft übertrug sich auf die Familien. In Kapstadt hatte de Sitter die Lehrerin Eleonora Suermond geheiratet, die in Holländisch Ost-Indien (heute Java) aufgewachsen war. Der erstgeborene Sohn starb kurz nach der Rückkehr nach Groningen. Danach hatte das Paar noch vier weitere Kinder. Freunden zufolge war das Familienleben für Willem de Sitter eine Quelle der Freude und Erholung. Seine beiden Söhne wurden ebenfalls Wissenschaftler. Aernout trat in die Fußstapfen des Vaters: als Direktor des Bosscha Observatoriums in Lembang, Holländisch Ost-Indien.

1908 wurde Willem de Sitter Professor für Astronomie an der Leidener Sternwarte. Ein Jahr später ernannte man ihn zusätzlich zum Direktor. In dieser Position entfaltete er nicht nur eine rege wissenschaftliche Aktivität, sondern unterteilte die Forschung am Observatorium in drei Abteilungen: Astronomie, Astrophysik und Theoretische Astronomie.

Vermutlich angeregt durch die Antrittsvorlesung von Paul Ehrenfest zur „Krise der Lichtäther-Hypothese“, begann sich de Sitter 1912 mit der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zu beschäftigen. Die Frage war: Kann man experimentell feststellen, ob die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle ist, so wie Einsteins Spezielle Relativitätstheorie es vorhersagt? Oder sind die Emissionstheorien richtig, wonach die Lichtgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit der Quelle sich addieren? 1913 argumentierte de Sitter aufgrund der Beobachtungsdaten von Doppelsternsystemen, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle ist. Das überzeugte viele zeitgenössische Physiker von der Speziellen Relativitätstheorie.

Der Wissenschaftshistoriker Stefan Röhle hat in seiner Dissertation nachverfolgt, wie de Sitter sich schrittweise der Allgemeinen Relativitätstheorie näherte. Die Gelehrten in Groningen und Göttingen waren vermutlich diejenigen, die Einsteins Überlegungen am besten verstanden und durch ihre Überlegungen mit formten. Zwischen 1916 und 1918 kam es zur „Einstein-de Sitter-Kontroverse“. De Sitter kritisierte die von Einstein eingeführte kosmologische Konstante und gelangte zu einer alternativen, ebenfalls statischen Lösung der Feldgleichungen („de Sitter-Welt“ oder Modell B) Röhle zufolge brachte die Kritik de Sitters, unterstützt durch Hendrik Antoon Lorentz, Einstein dazu, die kosmologische Konstante schließlich (1931) über Bord zu werfen.

Bis 1930 vertraten die meisten Astronomen das Modell eines statischen Universums. Sogar Edwin Hubble interpretierte 1929 seine berühmte Geschwindigkeit-Distanz-Beziehung im Modell des statischen de Sitter-Universums, wie der ART-Kenner Norbert Straumann zeigt. Die nicht-statischen Modelle von Alexander Friedmann und George Lemaître begannen sich erst durchzusetzen, nachdem Arthur Eddington durch einen Hinweis Lemaîtres auf dessen Arbeiten aufmerksam wurde. Lemaître hatte sie 1927 in einer wenig bekannten Zeitschrift auf Französisch publiziert. Zu der Zeit, als Eddington sich mit der Arbeit Lemaîtres beschäftigte, war auch de Sitter in Cambridge und erkannte deren große Bedeutung. Unter dem Einfluss Eddingtons und de Sitters begann sich die „neue Lehre“ durchzusetzen. Einen wichtigen Beitrag dazu leistete auch Eddingtons englische Übersetzung für die Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Willem de Sitter starb am 20. November 1934 im Alter von 62 Jahren an den Folgen einer Grippe. Er hatte bereits seit 1917 eine schwache Gesundheit gehabt – vermutlich litt er an chronischer Tuberkulose. Seine Enkelin, bei der er sich mit Grippe angesteckt hatte, starb vier Tage vor ihm. Der irische Astronom William McCrea sagte in seinem Nachruf auf Willem de Sitter: „Es war einfach gut, in seiner Nähe zu sein; er war so unbefangen, dass er die Befangenheit der Menschen um ihn herum wie selbstverständlich zu verbannen schien.“

Anne Hardy
 

Weitere Infos

• S. Röhle, Willem de Sitter in Leiden – ein Kapitel in der Rezeptionsgeschichte der Relativitätstheorien, Dissertation, Universität Mainz (2017) PDF
• S. Röhle, Mathematische Probleme in der Einstein–de Sitter Kontroverse (MPIWG-Preprint) PDF
• Buch-Tipp:  Jan Guichelaar, Willem de Sitter. Einstein's Friend and Opponent, Springer (2018)

Weitere Beiträge

• N. Straumann, Das Universum nach Einstein, Physik Journal, März 2015, S. 45 PDF
• A. Pawlak, Einsteins kosmischer Rechenfehler, Physik Journal, April 2014, S. 10 PDF / Web-Version (mit weiterführenden Links)
• H. Jehle und H. Rechenberg, Arthur Stanley Eddington zum hundertsten Geburtstag, Physikalische Blätter 39, 131 (1983) PDF

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