Kürzlich erreichte mich ein Brief aus dem Fichtelgebirge. Meine ehemalige Pfarrgemeinde hatte mich zur "Diamantenen Konfirmation" eingeladen. Sie wird 60 Jahre nach der Erstkonfirmation gefeiert. Der Schreck fuhr mir durch die Glieder ob dieser langen Zeitspanne, aber ich entschloss mich dann doch hinzufahren.
Ein kleines Häufchen ehemaliger Mitschüler und Mitschülerinnen hatte sich auf dem Kirchhof eingefunden. Nicht jeden konnte ich sofort namentlich identifizieren, aber durch geschicktes Fragen gelang es mir, sie in mein Gedächtnis zurückzurufen. Wie sehr hatten sie sich verändert. Insgeheim wollte ich nicht glauben, dass dies auch auf mich zutreffen könnte. Die Gespräche mündeten sehr bald in die gegenseitige Beschreibung des gesundheitlichen Zustands ein. Der eine hatte Herzbeschwerden, die andere erhielt kürzlich eine neue Hüfte und der Dritte sorgte sich um sein künstliches Kniegelenk. Welch ein Unterschied zu der Zeit vor 60 Jahren, als noch das Äpfelstehlen und Mädchenjagen unsere Sinne bewegte.
Die kleine Dorfkirche hatte sich ebenfalls verändert. Der schöne Steinaltar musste vor Jahren einem (ökologischen?) Holzaltar weichen. Während des Gottesdienstes wanderten meine Gedanken zurück ins Jahr 1948. Damals wurde nur konfirmiert, wer vorher die sogenannte Konfirmandenprüfung bestanden hatte. Sie fand eine Woche vor der eigentlichen Konfirmation statt und war öffentlich. In der rappelvollen Kirche fragte uns der Pfarrer eine Stunde lang über den Inhalt des Kathechismus aus. Aber man musste nicht nur die 10 Gebote und die 3 Glaubensartikel auswendig wissen, sondern auch noch deren (lutherische) Auslegung sowie eine Unzahl von Gebeten und Kirchenliedern. Ich war der einzige Gymnasiast und stand unter besonderer Beobachtung der Kirchenbesucher. Zum Glück hatte ich zu jener Zeit ein sehr gutes Gedächtnis, sodass ich praktisch den ganzen Kathechismus auswendig kannte und - wie alle anderen - dieses Examen natürlich gut bestand.
Der "Diamantene Gottesdienst" verlief nach der altbekannten Liturgie und war nach einer guten Stunde beendet. Schnell wurde noch ein Photo aller Beteiligten auf der Kirchtreppe gemacht - das tags darauf in der Lokalzeitung erschien - und schon fanden wir uns auf dem Vorplatz der Kirche wieder. Aber nicht zum Heimgehen oder zum festlichen Essen, nein, der Herr Pfarrer schlug uns noch den Besuch des nahen Friedhofs vor, zu einem "Gang über die Gräber", wie er es nannte. Wir waren alle etwas überrascht; als erster fing sich der Schorsch wieder, welcher dann trocken anmerkte: "Nun ja, wir sind im sterbepflichtigem Alter."
Am Eingang des "Gottesacker" (wie die älteren Leute noch sagen) empfing uns bereits der Friedhofswärter. Er fühlte wohl unsere Verspannung und glaubte etwas zur Auflockerung beitragen zu können, indem er frotzelte: "Ich bin der Friedhofswärter Max und habe eine Menge Leute unter mir - aber keiner hört mehr auf mich."
Die Begräbniskultur meiner Heimatgemeinde ist noch vergleichsweise konservativ. Niemand lässt sich auf einem Friedwald oder gar anonym bestatten. Niemand lässt die Asche seiner Lieben zu Diamanten verpressen, um sie als Ring oder Anhänger mitzuführen. Und schon gar niemand beauftragt die NASA mit der Beförderung der Urne in den Weltraum, wo sie nach dreimaliger Umrundung der Erde in der Atmosphäre verglühen soll.
Nein, da gibt es nur die klassische Erdbestattung oder das Urnengrab. Die Gebühren liegen zwischen 500 und 1.000 Euro für 20 Jahre. Nicht gespart wird an den Grabsteinen, denn das Fichtelgebirge ist mit Steinen gesegnet und so manches Grabmal ist so "opulent" gestaltet, dass man es als nachträgliche Steinigung des Toten ansehen möchte. Interessant sind auch die Inschriften auf den Grabsteinen. Sie zeugen von lauter edlen Menschen und man fragt sich unwillkürlich, wo eigentlich die nicht so guten (vielleicht gar die Gauner) geblieben sind. Aber Tote sind eben beliebt, vielleicht schon deswegen, weil sie sich nicht mehr ändern und - vorderhand - nicht mehr auferstehen.
Es war eine andachtsvolle Stunde, die wir mit Max auf dem Friedhof verbrachten. Besonders berührend, wenn man an den Gräbern Jungverstorbener vorbeiging, etwa kleiner Kinder, die durch einen Unglücksfall zu Tode kamen oder bei 20-jährigen gefallenen Soldaten des 2. Weltkriegs. Aber auch mancher, der sich für unabkömmlich, vielleicht sogar "unsterblich" hielt, lag hier bergraben. Wahre Unsterblichkeit besitzen wir Menschen eben nur solange wie wir leben.
Am Ausgang gaben wir Max ein angemessenes Trinkgeld und wiederun war es Schorsch, der die richtigen Worte fand, als er sagte:
"Man sollte ab und zu auf den Friedhof gehen, dann ist der Übergang nicht so abrupt."
Sonntag, 27. Juli 2008
Mittwoch, 9. Juli 2008
Wie gottesgläubig sind Naturwissenschaftler?
"Sire, diese Hypothese brauche ich nicht", sagte Laplace, als Napoleon sich erkundigte, wie der berühmte Mathematiker ein Buch schreiben konnte, ohne Gott zu erwähnen. Demgegenüber ist bekannt, dass Newton, der Entdecker der Schwerkraft, tief religiös war, ebenso wie Kepler - und auch Galilei. Bei Darwin ist das eher zu bezweifeln, denn Evolution und biblische Genesis sind ziemlich diskrepant.
Die Fachzeitschrift "Nature" veröffentlichte 1998 eine Umfrage unter den Mitgliedern der US-National Academy of Science zu deren religiöser Einstellung. Demnach glaubten nur 7 % der Befragten an einen "persönlichen Gott". Das ist fast das genaue Gegenteil vom Profil der amerikanischen Bevölkerung, die mit über 90 % an ein übernatürliches Wesen glauben. Amerikanische Naturwissenschaftler sind also weitaus weniger gottgläubig als der übrige Teil der Bevölkerung.
Ähnlich ist die Situation in Grossbritannien. Bei einer vergleichbaren Umfrage der Royal Society bekannten sich nur 3,3 % der Fellows zu der Aussage: "Ich glaube an einen persönlichen Gott"; 78,8 % lehnten diese These ab. Interessanterweise gab es unter den Biologen noch mehr Atheisten als unter den Physikern.
Erwähnenswert ist auch die Recherche des "Mensa Magazine". ("Mensa" ist eine Vereinigung von Menschen mit hohen Intelligenzquotienten.) Es kam zu dem Ergebnis: "Je höher die Intelligenz oder das Bildungsniveau, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass jemand religiös ist oder irgend eine Form von Glaubensüberzeugung hat".
Obwohl es eine Vielzahl noch lebender Astrophysiker gibt, sind nur ganz wenige ausserhalb ihrer wissenschaftlichen Community bekannt. Stephan Hawking, der britische Kosmologe, ist wohl einer von ihnen. Das hängt zum Teil mit seiner extremen körperlichen Behinderung zusammen, zum Teil auch mit seinen regelmässig erscheinenden populär-wissenschaftlichen Büchern, welche für Laien aber keineswegs so leicht zu lesen sind. Ganz besonders ist sein Name verknüpft mit der Erforschung der esoterisch anmutenden "Schwarzen Löcher", womit er sich seit mehr als dreissig Jahren beschäftigt. Der Nobelpreis konnte ihm noch nicht verliehen werden, denn die experimentelle Verifikation seiner Gedankenwelt ist sehr schwierig.
Hawking wird gelegentlich unterstellt, er sei gottgläubig; das ist aber sicherlich nicht der Fall. Meist bezieht man sich auf sein Buch "Eine kurze Geschichte der Zeit - die Suche nach dem Ursprung des Universums". Es endet mit der dramatischen (oder hinterlistigen?) Formulierung: "...denn dann würden wir Gottes Plan kennen" und wird deshalb ständig falsch interpretiert .
Wer jedoch die sieben weiteren Textstellen in diesem Buch genau liest, bei dem auf "Gott" Bezugzgenommen wird, kann nicht zu der Überzeugung kommen, dass Hawking wirklich religiös im Sinne der Bibel ist.
Der Physiker par excellence ist Albert Einstein. Obwohl bereits 1955 verstorben, scheint ihn heute noch jedes Kind zu kennen - wenn auch nur wenige Erwachsene seine Theorien vom Universum verstehen. Mit der frech herausgestreckten Zunge hat er es sogar bis zur Pop-Ikone geschafft. Zeit seines Lebens und sogar noch danach versuchten die bekannt aggressiven Vertreter der verschiedenen Religionen und Sekten in Nordamerika ihn für sich zu reklamieren. Das hing zum Teil damit zusammen, dass Einstein das Wort "Gott" immer wieder mal in seinen Vorträgen und Publikationen verwendete. Berühmte Einstein-Zitate sind zum Beispiel: "Gott würfelt nicht" oder "Hatte Gott eine Wahl, als er das Universum schuf?", oder "Gott ist raffiniert, aber boshaft ist er nicht".
Übersehen wurde dabei, dass Einstein den Begriff Gott in einem eher metaphorischen, bisweilen poetischen Sinn verwandte. Im Grunde war er Pantheist wie Goethe oder Spinoza, dessen Philosophie er offen bewunderte: "Ich glaube an Spinozas Gott, der sich in der gesetzlichen Harmonie des Seienden offenbart und nicht an einen Gott , der sich mit den Schicksalen und Handlungen der Menschen abgibt."
Trotzden liessen die amerikanischen, werbeerprobten Glaubensfunktionäre nicht locker in ihrem Bemühen, Einstein als einen der Ihren zu gewinnen. Schliesslich riss ihm die Geduld und er tat den weithin publizierten Ausspruch: "Der Gedanke an einen persönlichen Gott ist mir völlig fremd und kommt mir sogar naiv vor." Damit war Einstein bei den allermeisten Amerikanern "unten durch". Ein Rechtsanwalt schrieb ihm, dass er jetzt verstehe, warum Hitler die Juden aus Deutschland vertrieben habe. Und der Gründer einer biblischen Sekte in Oklahoma setzte noch eins drauf, indem er Einstein empfahl: "Gehen Sie dorthin, wo Sie hergekommen sind."
Beenden möchte ich diesen Blog (und damit auch die ganze Blog-Serie über das Universum) mit einem unsterblichen Satz des britischen Mathematikers und Philosophen Bertrand Russel. Als dieser einmal gefragt wurde, was er sagen würde, wenn er nach seinem Tod tatsächlich Gott gegenüber stünde und erklären müsse, warum er nicht an ihn geglaubt habe, lautete seine Antwort:
"Keine ausreichenden Anhaltspunkte, Gott, keine ausreichenden Anhaltspunkte."
Die Fachzeitschrift "Nature" veröffentlichte 1998 eine Umfrage unter den Mitgliedern der US-National Academy of Science zu deren religiöser Einstellung. Demnach glaubten nur 7 % der Befragten an einen "persönlichen Gott". Das ist fast das genaue Gegenteil vom Profil der amerikanischen Bevölkerung, die mit über 90 % an ein übernatürliches Wesen glauben. Amerikanische Naturwissenschaftler sind also weitaus weniger gottgläubig als der übrige Teil der Bevölkerung.
Ähnlich ist die Situation in Grossbritannien. Bei einer vergleichbaren Umfrage der Royal Society bekannten sich nur 3,3 % der Fellows zu der Aussage: "Ich glaube an einen persönlichen Gott"; 78,8 % lehnten diese These ab. Interessanterweise gab es unter den Biologen noch mehr Atheisten als unter den Physikern.
Erwähnenswert ist auch die Recherche des "Mensa Magazine". ("Mensa" ist eine Vereinigung von Menschen mit hohen Intelligenzquotienten.) Es kam zu dem Ergebnis: "Je höher die Intelligenz oder das Bildungsniveau, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass jemand religiös ist oder irgend eine Form von Glaubensüberzeugung hat".
Obwohl es eine Vielzahl noch lebender Astrophysiker gibt, sind nur ganz wenige ausserhalb ihrer wissenschaftlichen Community bekannt. Stephan Hawking, der britische Kosmologe, ist wohl einer von ihnen. Das hängt zum Teil mit seiner extremen körperlichen Behinderung zusammen, zum Teil auch mit seinen regelmässig erscheinenden populär-wissenschaftlichen Büchern, welche für Laien aber keineswegs so leicht zu lesen sind. Ganz besonders ist sein Name verknüpft mit der Erforschung der esoterisch anmutenden "Schwarzen Löcher", womit er sich seit mehr als dreissig Jahren beschäftigt. Der Nobelpreis konnte ihm noch nicht verliehen werden, denn die experimentelle Verifikation seiner Gedankenwelt ist sehr schwierig.
Hawking wird gelegentlich unterstellt, er sei gottgläubig; das ist aber sicherlich nicht der Fall. Meist bezieht man sich auf sein Buch "Eine kurze Geschichte der Zeit - die Suche nach dem Ursprung des Universums". Es endet mit der dramatischen (oder hinterlistigen?) Formulierung: "...denn dann würden wir Gottes Plan kennen" und wird deshalb ständig falsch interpretiert .
Wer jedoch die sieben weiteren Textstellen in diesem Buch genau liest, bei dem auf "Gott" Bezugzgenommen wird, kann nicht zu der Überzeugung kommen, dass Hawking wirklich religiös im Sinne der Bibel ist.
Der Physiker par excellence ist Albert Einstein. Obwohl bereits 1955 verstorben, scheint ihn heute noch jedes Kind zu kennen - wenn auch nur wenige Erwachsene seine Theorien vom Universum verstehen. Mit der frech herausgestreckten Zunge hat er es sogar bis zur Pop-Ikone geschafft. Zeit seines Lebens und sogar noch danach versuchten die bekannt aggressiven Vertreter der verschiedenen Religionen und Sekten in Nordamerika ihn für sich zu reklamieren. Das hing zum Teil damit zusammen, dass Einstein das Wort "Gott" immer wieder mal in seinen Vorträgen und Publikationen verwendete. Berühmte Einstein-Zitate sind zum Beispiel: "Gott würfelt nicht" oder "Hatte Gott eine Wahl, als er das Universum schuf?", oder "Gott ist raffiniert, aber boshaft ist er nicht".
Übersehen wurde dabei, dass Einstein den Begriff Gott in einem eher metaphorischen, bisweilen poetischen Sinn verwandte. Im Grunde war er Pantheist wie Goethe oder Spinoza, dessen Philosophie er offen bewunderte: "Ich glaube an Spinozas Gott, der sich in der gesetzlichen Harmonie des Seienden offenbart und nicht an einen Gott , der sich mit den Schicksalen und Handlungen der Menschen abgibt."
Trotzden liessen die amerikanischen, werbeerprobten Glaubensfunktionäre nicht locker in ihrem Bemühen, Einstein als einen der Ihren zu gewinnen. Schliesslich riss ihm die Geduld und er tat den weithin publizierten Ausspruch: "Der Gedanke an einen persönlichen Gott ist mir völlig fremd und kommt mir sogar naiv vor." Damit war Einstein bei den allermeisten Amerikanern "unten durch". Ein Rechtsanwalt schrieb ihm, dass er jetzt verstehe, warum Hitler die Juden aus Deutschland vertrieben habe. Und der Gründer einer biblischen Sekte in Oklahoma setzte noch eins drauf, indem er Einstein empfahl: "Gehen Sie dorthin, wo Sie hergekommen sind."
Beenden möchte ich diesen Blog (und damit auch die ganze Blog-Serie über das Universum) mit einem unsterblichen Satz des britischen Mathematikers und Philosophen Bertrand Russel. Als dieser einmal gefragt wurde, was er sagen würde, wenn er nach seinem Tod tatsächlich Gott gegenüber stünde und erklären müsse, warum er nicht an ihn geglaubt habe, lautete seine Antwort:
"Keine ausreichenden Anhaltspunkte, Gott, keine ausreichenden Anhaltspunkte."
Montag, 7. Juli 2008
Experimente - Teleskope - Theorien
Astrophysik, jene Kombination aus Elementarteilchenphysik und Astronomie, ist in einem ungeheueren Aufschwung begriffen. Derzeit sind weltweit Dutzende von Experimente im Aufbau, die zum Teil weit über eine Milliarde Euro kosten und für deren Planung und Betrieb oft Tausende von Wissenschaftler nötig sind. Generell ist man den kleinsten Teilchen und Wellen auf der Spur und zwar auf der Erde, unter der Erde und im Weltraum.
Einige Tausend Wissenschaftler arbeiten am europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf in der Schweiz. Im LHG-Beschleuniger, der in Kürze in Betrieb gehen soll, will man das Quark-Gluon-Plasma künstlich herstellen, jenen Massebrei, welcher kurz nach dem Urknall entstanden ist. Daneben sucht man Antimaterie, Schwarze Löcher, und - besonders sexy - das sogenannte Higgs-Teilchen, das der Materie sein Gewicht verleihen soll.
Ausgesprochen winzig sind die Neutrinoteilchen und deswegen auch ausserordentlich durchdringend. Wollte man die von der Sonne ausgestrahlten Neutrinos abschirmen, so bräuchte man eine Bleiwand von mehr als 100 Millionen Kilometer Dicke. Derzeit baut man im Forschungszentrum Karlsruhe die Anlage KATRIN auf, eine Art Waage, mit der man hofft, das Gewicht des Neutrinos experimentell bestimmen zu können. Bei einen anderen Experiment, im arktischen Eis, wird ein Eiswürfel von einem Kubikkilometer Ausdehnung mit Sensoren bestückt, welche die seltenen Lichtblitze der Neutrinos detektieren sollen.
Mehrere Forschergruppen beschäftigen sich mit dem Nachweis der Dunklen Materie, deren Elementarteilchen WIMPs genannt werden. Zur Ausschaltung von Störeinflüssen sind die Experimentieranlagen in tiefen Untergrundlabors platziert, so im italienischen Gran-Sasso-Felsen und im französischen Fréjus-Tunnel.
Nach wie vor rätselhaft ist die kosmische Höhenstrahlung, die aus der Tiefe des galaktischen Raums und der Milchstrasse kommt. Sie besteht aus den energiereichsten Atomkernen, die man kennt. Ein einziger Atomkern kann die Bewegungsenergie eines hart geschlagenen Tennisballs erreichen. Vermutlich stammen sie aus explodierenden Sternen, den Supernovae. Auf der Erde lässt sich die Höhenstrahlung nicht direkt, sondern nur über ihre Folgeprodukte, die "Luftschauer" nachweisen. Derzeit geschieht das im Pierre-Auger-Observatorium, welches in der argentinischen Pampa aufgebaut ist. Über die riesige Fläche von 3.000 Quadratkilometern sind 1.600 Detektoranlagen und 24 Teleskope installiert; 250 Wissenschaftler aus 15 Ländern beteiligen sich an diesem Experiment.
Gewissermassen der Champions-League sind die Experimente um die Gravitationswellen zuzuordnen. Sie entstehen, wenn sich Massen beschleunigt bewegen. Dann erzeugen sie in der Raumzeitgeometrie Störungen, die mit Lichtgeschwindigkeit den Raum durcheilen. Die daraus resultierende "Kräuselung" der Raumzeit ist extrem klein, in der Gegend des Durchmessers eines Wasserstoffatoms und darunter. Gravitationswellen wurden von Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorher gesagt, konnten aber bislang nicht nachgewiesen werden. Umso grösser ist der Ehrgeiz der Forscher in dieser Richtung.
Das Experiment GEO 600 bei Hanover nutzt ein Interferometer, bei dem die Phasenverschiebung zwischen zwei Laserstrahlen gemessen wird. Leider gibt es auf der Erde eine Fülle von Störquellen (wie Verkehr, Mikrobeben etc.) , sodass man auf den Weltraum ausweichen will. Das geplante Experiment LISA besteht aus drei Satelliten, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks mit einer Armlänge von 5 Millionen Kilometer angeordnet sind und welche das Interferometer bilden. Mit ihm hofft man Gravitationswellen zu entdecken, welche bereits beim Urknall entstanden sind und die, nach Meinung der Theoretiker, heute noch als allgegenwärtiges Rauschen das Universum durchziehen.
Teleskope sind nach wie vor notwendig zur astronomischen Beobachtung der Sterne und Galaxien. Derzeit gibt es weltweit mehrere Dutzend Lichtteleskope, die einen Spiegeldurchmesser von über 4 Metern besitzen. Das grösste, mit dem (fantasielosen) Namen "Very Large Teleskope" hat 8,2 m und ist in den chilenischen Anden aufgestellt. Das Hubble-Teleskop besitzt zwar nur einen Spiegeldurchmesser von 2,4 m, ist aber im Weltraum platziert und vermeidet dadurch die störenden Einflüsse der Erdatmosphäre. Es liefert die schärfsten Bilder aus den entferntesten Bezirken des Weltalls.
Die nächste Generation der Superteleskope ist in der Planung. Dem Hubble-Teleskope soll das ebenfalls satellitengestützte Webb-Teleskop nachfolgen mit einem Spiegeldurchmesser von
6-8 m. Es wird auch für die Sammlung von Infrarotlicht geeignet sein. Die Europäer planen das erdgebundene "Overwhelmingly Large Telescope", welches einen Effektivdurchmesser von mehr als 100 m haben wird. Diese riesige Spiegelfläche wird allerdings mosaikartig auf etwa 2000 kleinere Elemente aufgeteilt, die einzeln adjustiert werden können, um Fluktuationen in der Atmosphäre zu vermeiden.
Neben diesen Lichtteleskopen gibt es eine Vielzahl von Spezialteleskope für den übrigen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Sie nutzen Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen,
sowie die Infrarot- Mikro- und Radiowellen. Analog zur Akustik kann man das elektromagnetische Spektrum in "Oktaven" einteilen; man würde so über hundert Oktaven erhalten. Das sichtbare Licht entspricht in dieser Analogie nur einer einzigen Oktave. Unsere Lichtteleskope sehen die Welt also nur durch einen sehr schmalen Schlitz im elektromagnetischen Spektrum - wie durch eine Burka!
Auf dem Gebiet der Theorie wird das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik immer mehr abgelöst durch die aufkommende Stringtheorie. Sie postuliert keine Atomteilchen im Sinne von "Punkten", sondern in Form von vibrierenden Saiten (englisch: strings). Ihr Nachteil ist, dass diese strings in Beschleunigern wegen ihrer Kleinheit wohl nie nachweisbar sein werden; ausserdem lassen sie sich mathematisch nicht in den üblichen 3 Raumdimensionen, sondern nur in 9 oder 10 Dimensionen formulieren. Die Stringtheorie benötigt gewissermassen die Mathematik des 21. Jahrhunderts.
Noch gibt es Skepsis bei diesem neuen Kalkül, aber die Stringphysiker sind bereit für ihre Theorie die Hand ins Feuer zu legen. Zum einen, weil sie eine Kraft wie die Gravitation (nahezu) vorhersagt, zum anderen, weil es sich um eine - mathematisch - sehr ästhetische Theorie handelt, die den Weg zur langersehnten "Weltformel" aufzeigen könnte. Darunter verstehen die Physiker die Vereinigung der Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, woran sich u.a. Heisenberg und Einstein jahrzehntelang (vergeblich) bemüht haben.
Die "formale Ästhetik" einer Theorie hat bei den Physikern einen hohen Stellenwert. Als Einstein 1916 seine Allgemeine Releativitätstheorie vorstellte, gewann er sofort viele Anhänger wegen der mathematischen Eleganz dieser Theorie. Später wurde er gefragt, wie er reagiert hätte, falls sie experimentell nicht bestätigt worden wäre. Er soll gesagt haben:
"Der Herrgott hätte mir Leid getan".
Einige Tausend Wissenschaftler arbeiten am europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf in der Schweiz. Im LHG-Beschleuniger, der in Kürze in Betrieb gehen soll, will man das Quark-Gluon-Plasma künstlich herstellen, jenen Massebrei, welcher kurz nach dem Urknall entstanden ist. Daneben sucht man Antimaterie, Schwarze Löcher, und - besonders sexy - das sogenannte Higgs-Teilchen, das der Materie sein Gewicht verleihen soll.
Ausgesprochen winzig sind die Neutrinoteilchen und deswegen auch ausserordentlich durchdringend. Wollte man die von der Sonne ausgestrahlten Neutrinos abschirmen, so bräuchte man eine Bleiwand von mehr als 100 Millionen Kilometer Dicke. Derzeit baut man im Forschungszentrum Karlsruhe die Anlage KATRIN auf, eine Art Waage, mit der man hofft, das Gewicht des Neutrinos experimentell bestimmen zu können. Bei einen anderen Experiment, im arktischen Eis, wird ein Eiswürfel von einem Kubikkilometer Ausdehnung mit Sensoren bestückt, welche die seltenen Lichtblitze der Neutrinos detektieren sollen.
Mehrere Forschergruppen beschäftigen sich mit dem Nachweis der Dunklen Materie, deren Elementarteilchen WIMPs genannt werden. Zur Ausschaltung von Störeinflüssen sind die Experimentieranlagen in tiefen Untergrundlabors platziert, so im italienischen Gran-Sasso-Felsen und im französischen Fréjus-Tunnel.
Nach wie vor rätselhaft ist die kosmische Höhenstrahlung, die aus der Tiefe des galaktischen Raums und der Milchstrasse kommt. Sie besteht aus den energiereichsten Atomkernen, die man kennt. Ein einziger Atomkern kann die Bewegungsenergie eines hart geschlagenen Tennisballs erreichen. Vermutlich stammen sie aus explodierenden Sternen, den Supernovae. Auf der Erde lässt sich die Höhenstrahlung nicht direkt, sondern nur über ihre Folgeprodukte, die "Luftschauer" nachweisen. Derzeit geschieht das im Pierre-Auger-Observatorium, welches in der argentinischen Pampa aufgebaut ist. Über die riesige Fläche von 3.000 Quadratkilometern sind 1.600 Detektoranlagen und 24 Teleskope installiert; 250 Wissenschaftler aus 15 Ländern beteiligen sich an diesem Experiment.
Gewissermassen der Champions-League sind die Experimente um die Gravitationswellen zuzuordnen. Sie entstehen, wenn sich Massen beschleunigt bewegen. Dann erzeugen sie in der Raumzeitgeometrie Störungen, die mit Lichtgeschwindigkeit den Raum durcheilen. Die daraus resultierende "Kräuselung" der Raumzeit ist extrem klein, in der Gegend des Durchmessers eines Wasserstoffatoms und darunter. Gravitationswellen wurden von Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorher gesagt, konnten aber bislang nicht nachgewiesen werden. Umso grösser ist der Ehrgeiz der Forscher in dieser Richtung.
Das Experiment GEO 600 bei Hanover nutzt ein Interferometer, bei dem die Phasenverschiebung zwischen zwei Laserstrahlen gemessen wird. Leider gibt es auf der Erde eine Fülle von Störquellen (wie Verkehr, Mikrobeben etc.) , sodass man auf den Weltraum ausweichen will. Das geplante Experiment LISA besteht aus drei Satelliten, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks mit einer Armlänge von 5 Millionen Kilometer angeordnet sind und welche das Interferometer bilden. Mit ihm hofft man Gravitationswellen zu entdecken, welche bereits beim Urknall entstanden sind und die, nach Meinung der Theoretiker, heute noch als allgegenwärtiges Rauschen das Universum durchziehen.
Teleskope sind nach wie vor notwendig zur astronomischen Beobachtung der Sterne und Galaxien. Derzeit gibt es weltweit mehrere Dutzend Lichtteleskope, die einen Spiegeldurchmesser von über 4 Metern besitzen. Das grösste, mit dem (fantasielosen) Namen "Very Large Teleskope" hat 8,2 m und ist in den chilenischen Anden aufgestellt. Das Hubble-Teleskop besitzt zwar nur einen Spiegeldurchmesser von 2,4 m, ist aber im Weltraum platziert und vermeidet dadurch die störenden Einflüsse der Erdatmosphäre. Es liefert die schärfsten Bilder aus den entferntesten Bezirken des Weltalls.
Die nächste Generation der Superteleskope ist in der Planung. Dem Hubble-Teleskope soll das ebenfalls satellitengestützte Webb-Teleskop nachfolgen mit einem Spiegeldurchmesser von
6-8 m. Es wird auch für die Sammlung von Infrarotlicht geeignet sein. Die Europäer planen das erdgebundene "Overwhelmingly Large Telescope", welches einen Effektivdurchmesser von mehr als 100 m haben wird. Diese riesige Spiegelfläche wird allerdings mosaikartig auf etwa 2000 kleinere Elemente aufgeteilt, die einzeln adjustiert werden können, um Fluktuationen in der Atmosphäre zu vermeiden.
Neben diesen Lichtteleskopen gibt es eine Vielzahl von Spezialteleskope für den übrigen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Sie nutzen Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen,
sowie die Infrarot- Mikro- und Radiowellen. Analog zur Akustik kann man das elektromagnetische Spektrum in "Oktaven" einteilen; man würde so über hundert Oktaven erhalten. Das sichtbare Licht entspricht in dieser Analogie nur einer einzigen Oktave. Unsere Lichtteleskope sehen die Welt also nur durch einen sehr schmalen Schlitz im elektromagnetischen Spektrum - wie durch eine Burka!
Auf dem Gebiet der Theorie wird das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik immer mehr abgelöst durch die aufkommende Stringtheorie. Sie postuliert keine Atomteilchen im Sinne von "Punkten", sondern in Form von vibrierenden Saiten (englisch: strings). Ihr Nachteil ist, dass diese strings in Beschleunigern wegen ihrer Kleinheit wohl nie nachweisbar sein werden; ausserdem lassen sie sich mathematisch nicht in den üblichen 3 Raumdimensionen, sondern nur in 9 oder 10 Dimensionen formulieren. Die Stringtheorie benötigt gewissermassen die Mathematik des 21. Jahrhunderts.
Noch gibt es Skepsis bei diesem neuen Kalkül, aber die Stringphysiker sind bereit für ihre Theorie die Hand ins Feuer zu legen. Zum einen, weil sie eine Kraft wie die Gravitation (nahezu) vorhersagt, zum anderen, weil es sich um eine - mathematisch - sehr ästhetische Theorie handelt, die den Weg zur langersehnten "Weltformel" aufzeigen könnte. Darunter verstehen die Physiker die Vereinigung der Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, woran sich u.a. Heisenberg und Einstein jahrzehntelang (vergeblich) bemüht haben.
Die "formale Ästhetik" einer Theorie hat bei den Physikern einen hohen Stellenwert. Als Einstein 1916 seine Allgemeine Releativitätstheorie vorstellte, gewann er sofort viele Anhänger wegen der mathematischen Eleganz dieser Theorie. Später wurde er gefragt, wie er reagiert hätte, falls sie experimentell nicht bestätigt worden wäre. Er soll gesagt haben:
"Der Herrgott hätte mir Leid getan".
Samstag, 28. Juni 2008
Noch Physik - oder schon Science Fiction?
Die Vorgänge im Weltall werden durch die Naturgesetze bestimmt, wie die Allgemeine und die Spezielle Relativitätstheorie. In der Mikrowelt, innerhalb der Atome, beschreibt die Quantenmechanik das Geschehen. Bei diesen Gesetzmässigkeiten tauchen etwa ein Dutzend physikalischer Grössen auf, welche sich weder räumlich noch zeitlich ändern. Man nennt sie die Naturkonstanten. Zu ihnen gehören beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit, die Ruhemasse des Neutrons, das magnetische Moment des Protons, die spezifische Ladung des Elektrons, die Gravitationskonstante u.a.m. Es ist nicht übertrieben zu sagen: die Naturkonstanten determinieren unsere belebte und unbelebte Welt. Die Zahlenwerte dieser Konstanten sind über zehn und mehr Stellen bekannt. Es sind durchweg "krumme" Zahlen, die über mehr als 40(!) Zehnerpotenzen differieren.
Die Physiker haben sich vor einigen Jahren die Frage gestellt, was wohl passieren würde, wenn man die Zahlenwerte dieser Naturkonstanten - gedanklich - leicht variieren würde. Wenn man etwa die Gravitationskonstante 3 % grösser, die Ladung des Elektrons um 5 % kleiner machen würde. Die Konsequenzen wären enorm. Die Lebensdauer unserer Sonne würde sich von 10 Milliarden Jahre auf nur noch 10 Millionen verkürzen; zur Ausbildung des Lebens auf dem Planeten Erde reichte diese Zeitdauer bei weitem nicht aus. Im Falle des Elektrons wäre die Bindung der Atome gestört und es käme nicht zur Bildung der so lebenswichtigen Kohlenstoffmoleküle. Also: schon geringfügige Änderungen der "Grundeinstellung" der Naturkonstanten würde unser Universum zerstören bzw. hätte es gar nicht erst entstehen lassen.
Diese bemerkenswerte Harmonie zwischen der Struktur des Universums und den Bedürfnissen seiner Bewohner wird als "anthropisches Prinzip" bezeichnet. Es liegt auf der Grenzfläche zwischen Physik, Philosophie und Theologie. Die Vertreter der beiden letztgenannten Fächer gehen in seiner Interpretation noch einen Schritt weiter, indem sie (die Philosophen) behaupten: "Eben weil es in unserem Universum Leben gibt, können die Naturkonstanten Werte annehmen, welche die Existenz dieses Lebens möglich machen." Die Theologen, kaum verwunderlich, machen den nächsten ultimativen Schritt, indem sie feststellen: "Hinter dem anthropischen Prinzip steht das Wirken Gottes, dessen Ziel von Anfang an die Erschaffung des Lebens war."
Christliche amerikanische Sekten veranschaulichen das Ganze für ihre Anhänger, indem sie Faltblätter verteilen. Darauf ist ein älterer Herr mit Rauschebart zu sehen, der vor einer Art Banktresor steht und an Knöpfen dreht. Nicht um den Tresor zu öffnen, sondern um unser Weltall "menschenfreundlich" einzustellen. Das Universum eine Fügung Gottes? Die Physiker und mit ihnen die meisten Naturwissenschaftler sind da skeptisch. In der überwiegenden Mehrzahl glauben sie nicht an einen allmächtigen Gott. (Etwas flapsig gesagt: die Arbeitshypothese Gott würde die Physiker arbeitslos machen).
Aber könnte es nicht der pure Zufall sein, welche diese Kombination der Naturkonstanten bewirkt hat, die letztlich zu unserem Universum führte? Kaum glaublich. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist sehr, sehr gering. Eher würde ein Lottospieler ein volles Jahr lang jedes Wochenende einen 6er- Lottogewinn erspielen. Wer soll das glauben?
Den Ausweg aus diesem Dilemma bietet folgende Idee: unser Universum ist ein Teil vieler Universen, des Multiversums. Jedem dieser Universen liegen andere Naturkonstanten und Gesetzmässigkeiten zugrunde. Bei einer riesigen, vielleicht sogar unendlichen Zahl von
Paralleluniversen muss zwangsläufig auch eines dabei sein, dessen Parameterjustierung genau dem unsrigen entspricht. Da wir jedoch prinzipiell nicht über den Rand unseres Weltalls hinaussehen können, werden wir wohl über diese Nachbaruniversen auch nichts in Erfahrung bringen können. (Die Hypothese der verbindenden "Wurmlöcher" bzw. "Schlupflöcher"überlasse ich den Science Fiction-Autoren.)
Ganz banal kann man den Kosmos mit einem sehr grossen Kleidergeschäft vergleichen. Ist die Auswahl der Kleider dort nur umfangreich genug, so sind wir nicht überrascht, wenn wir etwas finden, das uns passt. Sollte sich unser Universum als Teil eines riesigen Multiversums herausstellen, so wären die besonderen Gesetze und Naturkonstanten unseres Weltalls keine Überraschung mehr.
Das einzige Mittel gegen Aberglaube sei die Wissenschaft - sagte der Engländer Henry Thomas Buckle. Dürfen wir ihm angesichts der immer schmaler werdenden Grenze noch glauben?
Die Physiker haben sich vor einigen Jahren die Frage gestellt, was wohl passieren würde, wenn man die Zahlenwerte dieser Naturkonstanten - gedanklich - leicht variieren würde. Wenn man etwa die Gravitationskonstante 3 % grösser, die Ladung des Elektrons um 5 % kleiner machen würde. Die Konsequenzen wären enorm. Die Lebensdauer unserer Sonne würde sich von 10 Milliarden Jahre auf nur noch 10 Millionen verkürzen; zur Ausbildung des Lebens auf dem Planeten Erde reichte diese Zeitdauer bei weitem nicht aus. Im Falle des Elektrons wäre die Bindung der Atome gestört und es käme nicht zur Bildung der so lebenswichtigen Kohlenstoffmoleküle. Also: schon geringfügige Änderungen der "Grundeinstellung" der Naturkonstanten würde unser Universum zerstören bzw. hätte es gar nicht erst entstehen lassen.
Diese bemerkenswerte Harmonie zwischen der Struktur des Universums und den Bedürfnissen seiner Bewohner wird als "anthropisches Prinzip" bezeichnet. Es liegt auf der Grenzfläche zwischen Physik, Philosophie und Theologie. Die Vertreter der beiden letztgenannten Fächer gehen in seiner Interpretation noch einen Schritt weiter, indem sie (die Philosophen) behaupten: "Eben weil es in unserem Universum Leben gibt, können die Naturkonstanten Werte annehmen, welche die Existenz dieses Lebens möglich machen." Die Theologen, kaum verwunderlich, machen den nächsten ultimativen Schritt, indem sie feststellen: "Hinter dem anthropischen Prinzip steht das Wirken Gottes, dessen Ziel von Anfang an die Erschaffung des Lebens war."
Christliche amerikanische Sekten veranschaulichen das Ganze für ihre Anhänger, indem sie Faltblätter verteilen. Darauf ist ein älterer Herr mit Rauschebart zu sehen, der vor einer Art Banktresor steht und an Knöpfen dreht. Nicht um den Tresor zu öffnen, sondern um unser Weltall "menschenfreundlich" einzustellen. Das Universum eine Fügung Gottes? Die Physiker und mit ihnen die meisten Naturwissenschaftler sind da skeptisch. In der überwiegenden Mehrzahl glauben sie nicht an einen allmächtigen Gott. (Etwas flapsig gesagt: die Arbeitshypothese Gott würde die Physiker arbeitslos machen).
Aber könnte es nicht der pure Zufall sein, welche diese Kombination der Naturkonstanten bewirkt hat, die letztlich zu unserem Universum führte? Kaum glaublich. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist sehr, sehr gering. Eher würde ein Lottospieler ein volles Jahr lang jedes Wochenende einen 6er- Lottogewinn erspielen. Wer soll das glauben?
Den Ausweg aus diesem Dilemma bietet folgende Idee: unser Universum ist ein Teil vieler Universen, des Multiversums. Jedem dieser Universen liegen andere Naturkonstanten und Gesetzmässigkeiten zugrunde. Bei einer riesigen, vielleicht sogar unendlichen Zahl von
Paralleluniversen muss zwangsläufig auch eines dabei sein, dessen Parameterjustierung genau dem unsrigen entspricht. Da wir jedoch prinzipiell nicht über den Rand unseres Weltalls hinaussehen können, werden wir wohl über diese Nachbaruniversen auch nichts in Erfahrung bringen können. (Die Hypothese der verbindenden "Wurmlöcher" bzw. "Schlupflöcher"überlasse ich den Science Fiction-Autoren.)
Ganz banal kann man den Kosmos mit einem sehr grossen Kleidergeschäft vergleichen. Ist die Auswahl der Kleider dort nur umfangreich genug, so sind wir nicht überrascht, wenn wir etwas finden, das uns passt. Sollte sich unser Universum als Teil eines riesigen Multiversums herausstellen, so wären die besonderen Gesetze und Naturkonstanten unseres Weltalls keine Überraschung mehr.
Das einzige Mittel gegen Aberglaube sei die Wissenschaft - sagte der Engländer Henry Thomas Buckle. Dürfen wir ihm angesichts der immer schmaler werdenden Grenze noch glauben?
Freitag, 27. Juni 2008
Das Schicksal unseres Universums
Wie geht es weiter mit unserem Universum? Seit dem Urknall, also seit 13,7 Milliarden Jahren, dehnt es sich schon aus. Wird diese Expansion anhalten? "From here to eternity", wie ein amerikanischer Filmtitel verheisst? Die Kosmologen waren lange Zeit der gegenteiligen Meinung. Sie vermuteten, dass sich die Ausdehnung des Weltalls, wegen der gegenseitigen Anziehung der Galaxien, allmählich abbremsen würde. So wie ein Stein, den man in die Höhe wirft, nach Erreichen seines Gipfelpunkts wieder nach unten fällt, weil ihn die Erde anzieht.
Auch beim Universum kann man sich einen Richtungswechsel vorstellen. Die Expansion würde durch die gravitative Verzögerung allmählich zu einen Ende kommen und in eine Kontraktion übergehen. Die Galaxien und Sterne müssten sich, wegen ihrer Schwerkraft, immer näher kommen und das Universum würde (beschleunigt) in sich zusammen stürzen. Vielleicht in einen Punkt. Vielleicht unter Bildung eines gigantischen Schwarzen Lochs. Vielleicht sogar unter Auslösung eines weiteren Urknalls. Die Amerikaner, praktisch wie sie sind, haben bereits einen anschaulichen Namen für diese kosmologische Katastrophe geprägt: "Big Crunch".
Als die Astronomem, vor wenigen Jahren erst, ihre Teleskope auf alte Supernova-Explosionen richteten, um die Verminderung der Weltraumexpansion zu messen, gab es eine Riesenüberraschung. Die eperimentellen Ergebnisse waren eindeutig: die Expansion des Universums nimmt keineswegs ab, sie bleibt auch nicht konstant - nein, sie nimmt ganz klar zu. Das heisst konkret: des Ausdehnung unseres Weltalls beschleunigt sich, ein Big Crunch ist nicht zu befürchten.
Es muss also eine - noch unbekannte - Energie geben, welche der Gravitation nicht nur Paroli bietet, sondern sie sogar überkompensiert. Die Astrophysiker nennen sie "Dunkle Energie", weil die Träger dieser Energie keine elektromagnetischen Wellen abstrahlen, also dunkel und nicht zu sehen sind. Die berühmte kosmologische Konstante von Albert Einstein schien wieder auferstanden zu sein, allerdings unter anderen Umständen.
Es ist unwahrscheinlich, dass Dunkle Energie künstlich im Labor erzeugt werden kann, zumindest nicht in naher Zukunft. Eine entscheidende Frage ist, ob die Dunkle Energie unveränderlich ist. Falls dies zutreffen sollte, so hätte dies zur Folge, dass sich unser Universum bis in alle Ewigkeit ausdehnt! Man nimmt derzeit an, dass 70 % des Universums aus Dunkler Energie besteht; dann folgen mit 25 % die schon beschriebene Dunkle Materie. Lediglich 5 % ist sichtbare Materie, aus der die Galaxien, die Sterne und die Lebewesen geformt sind!
Unterstellen wir mal diese ungehemmte Expansion unseres Weltalls, was würde dann passieren? Nun, da die Zeit als limitierender Faktor entfällt, kann man sich vieles vorstellen. ("Die Ewigkeit ist lang, besonders zum Ende hin", sagte Woody Allen einmal in einem seiner Filme.) Ernsthaft gesprochen, alle derzeit leuchtenden Sonnen würden in, schätzungsweise, einer Billion Jahre, wegen Brennstoffmangel verlöschen. Neue kämen hinzu, aber wenn die interstellare Materie aufgebraucht sein wird, dann wird es allmählich dunkel - und kalt - im Weltraum werden. Leben, wie wir es verstehen, wäre nicht mehr möglich. Vielleicht bilden sich neue Entwicklungsstufen heraus, was angesichts der riesigen Zeiträume, die zur Verfügung stehen, nicht unmöglich ist. Aber dieses "neue Leben" sähe ganz anders aus; es hätte keine Ähnlichkeit mit jenem, das wir kennen.
Bei den Sonnensystemen würden würden längst ausgeglühte Planeten( wie unsere Erde) um ausgebrannte Sternenreste (wie unsere Sonne) kreisen. Die Galaxien werden sich auf ihren Wege durch das All nahe kommen und miteinander kollidieren. Weil durch Reibung Energie verloren geht, verschmelzen sie schliesslich zu einem riesigen Haufen ungeordneter Sterne.
Falls die Theorien der Kernphysiker stimmen, dann löst sich schliesslich auch die Materie auf. Die Protonen als elementare Bausteine zerfallen und es bleibt nur noch Strahlung übrig. Am Ende gibt es gigantische Schwarze Löcher, die in einem allumfassenden Meer von Photonen und Neutrinos "schwimmen". Sieht so die Ewigkeit aus? Angeblich nicht. Denn nach weiteren 10 hoch 120 Jahren - eine 1 mit 120 Nullen - sollen auch diese Schwarzen Löcher ihr Dasein beenden, indem sie allmählich verdampfen.
Mr. Stephen W. Hawkings hat sich dieses Szenario in seiner Oxforder Studierstube ausgedacht. Und wer von uns Wichten würde diesem Genie widersprechen wollen?
Auch beim Universum kann man sich einen Richtungswechsel vorstellen. Die Expansion würde durch die gravitative Verzögerung allmählich zu einen Ende kommen und in eine Kontraktion übergehen. Die Galaxien und Sterne müssten sich, wegen ihrer Schwerkraft, immer näher kommen und das Universum würde (beschleunigt) in sich zusammen stürzen. Vielleicht in einen Punkt. Vielleicht unter Bildung eines gigantischen Schwarzen Lochs. Vielleicht sogar unter Auslösung eines weiteren Urknalls. Die Amerikaner, praktisch wie sie sind, haben bereits einen anschaulichen Namen für diese kosmologische Katastrophe geprägt: "Big Crunch".
Als die Astronomem, vor wenigen Jahren erst, ihre Teleskope auf alte Supernova-Explosionen richteten, um die Verminderung der Weltraumexpansion zu messen, gab es eine Riesenüberraschung. Die eperimentellen Ergebnisse waren eindeutig: die Expansion des Universums nimmt keineswegs ab, sie bleibt auch nicht konstant - nein, sie nimmt ganz klar zu. Das heisst konkret: des Ausdehnung unseres Weltalls beschleunigt sich, ein Big Crunch ist nicht zu befürchten.
Es muss also eine - noch unbekannte - Energie geben, welche der Gravitation nicht nur Paroli bietet, sondern sie sogar überkompensiert. Die Astrophysiker nennen sie "Dunkle Energie", weil die Träger dieser Energie keine elektromagnetischen Wellen abstrahlen, also dunkel und nicht zu sehen sind. Die berühmte kosmologische Konstante von Albert Einstein schien wieder auferstanden zu sein, allerdings unter anderen Umständen.
Es ist unwahrscheinlich, dass Dunkle Energie künstlich im Labor erzeugt werden kann, zumindest nicht in naher Zukunft. Eine entscheidende Frage ist, ob die Dunkle Energie unveränderlich ist. Falls dies zutreffen sollte, so hätte dies zur Folge, dass sich unser Universum bis in alle Ewigkeit ausdehnt! Man nimmt derzeit an, dass 70 % des Universums aus Dunkler Energie besteht; dann folgen mit 25 % die schon beschriebene Dunkle Materie. Lediglich 5 % ist sichtbare Materie, aus der die Galaxien, die Sterne und die Lebewesen geformt sind!
Unterstellen wir mal diese ungehemmte Expansion unseres Weltalls, was würde dann passieren? Nun, da die Zeit als limitierender Faktor entfällt, kann man sich vieles vorstellen. ("Die Ewigkeit ist lang, besonders zum Ende hin", sagte Woody Allen einmal in einem seiner Filme.) Ernsthaft gesprochen, alle derzeit leuchtenden Sonnen würden in, schätzungsweise, einer Billion Jahre, wegen Brennstoffmangel verlöschen. Neue kämen hinzu, aber wenn die interstellare Materie aufgebraucht sein wird, dann wird es allmählich dunkel - und kalt - im Weltraum werden. Leben, wie wir es verstehen, wäre nicht mehr möglich. Vielleicht bilden sich neue Entwicklungsstufen heraus, was angesichts der riesigen Zeiträume, die zur Verfügung stehen, nicht unmöglich ist. Aber dieses "neue Leben" sähe ganz anders aus; es hätte keine Ähnlichkeit mit jenem, das wir kennen.
Bei den Sonnensystemen würden würden längst ausgeglühte Planeten( wie unsere Erde) um ausgebrannte Sternenreste (wie unsere Sonne) kreisen. Die Galaxien werden sich auf ihren Wege durch das All nahe kommen und miteinander kollidieren. Weil durch Reibung Energie verloren geht, verschmelzen sie schliesslich zu einem riesigen Haufen ungeordneter Sterne.
Falls die Theorien der Kernphysiker stimmen, dann löst sich schliesslich auch die Materie auf. Die Protonen als elementare Bausteine zerfallen und es bleibt nur noch Strahlung übrig. Am Ende gibt es gigantische Schwarze Löcher, die in einem allumfassenden Meer von Photonen und Neutrinos "schwimmen". Sieht so die Ewigkeit aus? Angeblich nicht. Denn nach weiteren 10 hoch 120 Jahren - eine 1 mit 120 Nullen - sollen auch diese Schwarzen Löcher ihr Dasein beenden, indem sie allmählich verdampfen.
Mr. Stephen W. Hawkings hat sich dieses Szenario in seiner Oxforder Studierstube ausgedacht. Und wer von uns Wichten würde diesem Genie widersprechen wollen?
Sonntag, 22. Juni 2008
13,7 Milliarden Jahre ab dem Urknall
Als 3 Minuten nach dem Urknall nahezu die gesamte Materie des Universums in Form von Helium- und Wasserstoffkernen (samt einer Prise weiterer leichter Atomkerne) entstanden war, tat sich eine Zeitlang wenig. Gewiss, das Weltall dehnte sich weiterhin rasend schnell aus - bis zum heutigen Tage - und dabei kühlte sich die Materie immer mehr ab. Es dauerte jedoch fast noch 400.000 Jahre bis es zu einem abermaligen, wichtigen Ereignis kam: nun gelang es den Elektronen, sich den Atomkernen anzuschliessen und es entstanden die ersten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Die hochenergetischen Lichtquanten, auch Photonen genannt, hatten dies bislang verhindert. Aber jetzt reichte (wegen der Abkühlung) ihre Kraft nicht mehr aus und sie "entkoppelten" sich aus dem Geschehen, wie die Physiker sagen. Dies hatte eine dramatische Folge: das Universum, welches bisher undurchsichtig war, wurde nun (wegen der frei umher fliegenden Lichtteilchen) transparent, licht und klar.
Die amerikanischen Kreationisten und andere strenggläubige Bibelchristen sehen in diesem Ereignis einen "Beweis" für die Heilige Schrift. Dort steht im ersten Buch Mose, der sogenannten Genesis, gleich zu Beginn: "Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde...und es war finster in der Tiefe...und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht." (1. Mos. 1.1-3). Allerdings nehmen sie an, dass dies erst vor 6.000 Jahren geschehen sei. Die Physiker sind sich jedoch darüber einig, dass seitdem mehr als 13 Milliarden Jahre verstrichen sein müssen.
Nun dauerte es einige weitere hundert Millionen Jahre, bis etwas Signifikantes passierte: kleine Inhomogenitäten im allseitigen Gasnebel des Wasserstoffs und des Heliums verstärkten sich allmählich durch die Gravitation, also die anziehende Schwerkraft, und peu à peu entstanden dabei Materieanhäufungen, die sogenannten Galaxien und zum Teil auch Sterne. Da die Materiemenge im All sich nicht mehr veränderte, mussten sich an anderen Stellen gleichzeitig gewaltige Leerräume bilden. Das Universum strukturierte sich also grossräumig um. Nach heutigen Vorstellungen gibt es mittlerweile rund hundert Milliarden Galaxien, wovon man etwa die Hälfte tatsächlich mit den grössten Fernrohren, wie dem satellitengestützten Hubble-Teleskop, zumeist als Pünktchen erkennen kann. Aus der Ferne betrachtet verleihen sie dem Weltall ein "schwammiges" oder "schaumiges" Aussehen. Galaxien arrangieren sich vorwiegend in Gruppen von Hunderten oder sogar Tausenden. Da sie sich natürlich auch gegenseitig anziehen, kommt es zu gigantischen kosmischen Kollisionen, die vielen von ihnen ein "zerrupftes" Aussehen verleihen.
Eine schöne Galaxie ist demgegenüber unsere Heimatgalaxie, die Milchstrasse. Sie trägt diesen Namen, weil sie, von der Erde aus betrachtet, wie ein quer über das Firmament gesetzter, milchiger Pinselstrich erscheint. Sie ist eine zweiarmige Spiralgalaxie und entstand schon in der Urzeit des Weltgeschehens; ausserdem ist sie mit 100.000 Lichtjahren Ausdehnung relativ gross. Sie besteht aus ca. 400 Milliarden Sonnen und - vermutlich - mindestens ebensovielen Planeten. Unser irdisches Sonnensystem liegt, abgeschirmt vom heissen Zentrum, quasi in einem "kuscheligen Hinterhofbereich" der Milchstrasse. Zwar rast die benachbarte Andromeda-Galaxie auf die Milchstrasse mit 120 Kilometern pro Sekunde zu, aber ich kann mich bei meinen Leser dafür verbürgen, dass für uns daraus vorderhand kein Unheil erwachsen wird, selbst wenn wenn wir das Alter des sagenhaften Methusalem erreichen würden.
Die Galaxien sind die "Kinderstuben" der Sterne. Sie beinhalten riesige ausgedehnte Molekülwolken, die aus irgend einem Zufall etwas dichter sind als ihre Umgebung. Wegen der Schwerkraft fallen sie langsam in sich zusammen, was hunderttausend oder auch einige Millionen Jahre dauern kann. Die Gasbälle vergrössern sich immer mehr und verdichten sich dabei. Im Inneren steigt der Druck auf viele Millionen Atmosphären an und, wenn die Temperatur 15 Millionen Grad erreicht hat, kommt es zur Zündung des Fusionsfeuers. Ein Stern ist geboren, der Millionen, manchmal Milliarden Jahre lang als Sonne das Firmament erhellt. Seine Energie erhält er in erster Linie durch die nukleare Fusion der Wasserstoff- und Heliumkerne, wobei weitere Elemente des Periodensystems, bis hin zum Eisen, aufgebaut werden. Die Sternbildung hält bis heute an; man vermutet, dass jede Galaxie etwa 100 Milliarden strahlende Sonnen beheimatet.
Die Sterne sind von sehr unterschiedlicher Grösse und erstaunlicherweise ist die Lebensdauer der kleinen Sterne viel höher als die der grossen. (Unsere Sonne liegt so etwa in der Mitte.) Kleine Sterne gehen mit ihrem Fusionsbrennstoff sparsam um und brennen - bei dezenter Erwärmung ihrer Umgebung - manchmal 100 Milliarden Jahre oder noch länger. Superschwere Sterne erhitzen dagegen weite Areale und bringen es dadurch auf kaum mehr als eine Million Jahre. Dafür beenden sie ihr Leben mit einem höchst spektakulären Knalleffekt als Super-Nova. Sobald sich im Zentrum einer solchen Sonne der finale Eisenkern gebildet hat, erlischt das Fusionsfeuer und die gesamte äussere Hülle des Riesensterns kracht mit ungeheurer Wucht auf die metallene Mitte. Dabei entsteht eine Schockwellenexplosion, welche über mehrere Wochen heller leuchten kann, als die ganze Galaxie. Der zentrale Eisenkern wird zu einer bizarren Kugel von etwa 10 km Durchmesser zusammen gedrückt: ein superschwerer Neutronenstern ist entstanden. Ein einziger Teelöffel seiner Materie würde auf der Erde mehr als eine Milliarde Tonnen wiegen!
Unserer Sonne bleibtdieses Schicksal erspart; sie wird noch einige Milliarden Jahre so herrlich leuchten wie bisher. Dann aber wird sie sich durch enormes Aufblähen ihrer äusseren Schichten in einen sogenannten Roten Riesen verwandeln. Dabei verschlingt sie den nahen Planeten Merkur und vielleicht auch die Venus. Von der Erde aus wird sie als rot glühender Gasball sichtbar sein, der ein Drittel des Himmels einnimmt. Eine beeindruckende Vorstellung, aber leider werden wir Menschen dies nicht mehr wahrnehmen können. Schon lange vorher hat die Hitze unserer aufgedunsenen Sonne unseren Heimatplaneten verbrannt und die Ozeane verdunsten lassen.
Kommen wir nochmal zurück zum Todeskampf der superschweren Sterne. Die Entstehung einer Super-Nova nach Erlöschen des Fusionsfeuers sowie die anschliessende Bildung eines Neutronensterns, ist nicht die einzige Option für deren Exitus. Manchmal hält auch der Neutronenstern den gigantischen Belastungen der herabfallenden Sternhülle nicht mehr stand und es kommt zur Bildung eines Schwarzen Lochs. Dieses einst spekulative Phänomen wird heute von den Astrophysikern durchaus als real angesehen. Man kann es als astronomisches Objekt definieren, dessen Gravitation so hoch ist, dass selbst die Lichtteilchen (Photonen) darin gefangen werden. Ein Schwarzes Loch ist deshalb für das menschliche Auge nicht sichtbar. Ein Raumfahrer würde es bei seiner Navigation durch den Weltraum nicht sehen, bei unvorsichtiger Überschreitung seines Randes (Ereignishorizont genannt) in das Loch hineingezogen werden und - wie bei der mittelalterlichen Folter - auseinander gerissen werden.
Schwarze Löcher befinden sich vermutlich im Zentrum aller Galaxien und haben etwa die geometrische Ausdehnung unseres Sonnensystems. Von der Schwerkraft her repräsentieren sie aber Millionen, vielleicht sogar Milliarden von Sternen. Und diese Monster lassen sich zudem noch immerwährend füttern. Nicht, wie der sagenhafte Minotaurus, dem die Athener zur Besänftigung regelmässig Jungfrauen in sein Labyrinth zuführen mussten, sondern durch Materiegas, das sich in ihrer Nähe befindet. Dieses wird, ähnlich wie beim Wasserabflussrohr der Badewanne, durch die Schwerkraft in das Schwarze Loch eingestrudelt, leuchtet wegen der hohen Geschwindigkeitszunahme nochmal kurz auf und kann dadurch mit irdischen Teleskopen beobachtet werden.
Schwarze Mini-Löcher sollen demnächst an der Kernforschungsanlage CERN bei Genf erzeugt werden, wenn man Kernteilchen bei hoher Energie aufeinander schiesst. Nach Aussage der dortigen Physiker entsteht dadurch aber keine Gefahr für uns Erdbewohner und für unseren Planeten. Skeptische Zeitgenossen halten jedoch die Propagation dieser kleine Löcher für möglich, mit der Folge der Erzeugung eines grösseren Schwarzen Lochs und des Verschlingens unserer Erde. (Sollten wir alle in drei Jahren noch leben, dann haben die CERN-Physiker recht gehabt.)
Seit einigen Jahren beschäftigen sich die Astrophysiker mit einem weiteren merkwürdigen Phänomen unseres Weltalls, der sogenannten Dunklen Materie. Sie haben nämlich durch Nachrechnen festgestellt, dass die sichtbare Materie bei weitem nicht ausreichen kann, um die relativ schnelle Bildung der Sterne und Galaxien in der Urzeit zu erklären. Auch die schönen Spiralarme unserer Milchstrasse müssten längst abgerissen sein, weil sie sich viel zu schnell drehen und die Gravitation für den Zusammenhalt (rechnerisch) nicht ausreicht. So hat man die Hypothese aufgestellt, dass es, neben der sichtbaren Materie, noch eine weitere Kategorie - eben die Dunkle Materie - geben müsse, welche mit ihrer Schwerkraft für den Zusammenhalt des Universums sorgt. Aus der Hypothese ist mittlerweile eine starke Vermutung geworden; man nimmt sogar an, dass es im Weltall mindestens 5 mal mehr dunkle Materie gibt als sichtbare. Leider ist sie mit Teleskopen nicht zu beobachten; sie macht sich aber indirekt durch ihre gravitative Wechselwirkung bemerkbar.
Bis vor einiger Zeit glaubte man noch daran, es könnten die Neutrino-Teilchen sein. Von ihnen gibt es zwar ungeheuer viele, aber sie besitzen nur eine geringe Masse, weswegen sie letzlich als Kandidaten für die Dunkle Materie ausscheiden. Auch die im Weltraum umherirrenden, ausgebrannten - und damit unsichtbaren - Sternruinen hatte man im Verdacht. Aber ihrer sind zu wenige. Derzeit konzentriert sich die Suche auf neuartige atomare Teilchen, die sehr wenig mit ihrer Umgebung wechselwirken, welche aber dennoch eine beträchtliche Gravitation ausüben. Sie werden WIMPs genannt und sollen im LHC-Beschleuniger des CERN, der in Kürze in Betrieb geht, erzeugt und nachgewiesen werden.
Der Nobelpreis ist dem Chefwissenschaftler gewiss.
Die amerikanischen Kreationisten und andere strenggläubige Bibelchristen sehen in diesem Ereignis einen "Beweis" für die Heilige Schrift. Dort steht im ersten Buch Mose, der sogenannten Genesis, gleich zu Beginn: "Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde...und es war finster in der Tiefe...und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht." (1. Mos. 1.1-3). Allerdings nehmen sie an, dass dies erst vor 6.000 Jahren geschehen sei. Die Physiker sind sich jedoch darüber einig, dass seitdem mehr als 13 Milliarden Jahre verstrichen sein müssen.
Nun dauerte es einige weitere hundert Millionen Jahre, bis etwas Signifikantes passierte: kleine Inhomogenitäten im allseitigen Gasnebel des Wasserstoffs und des Heliums verstärkten sich allmählich durch die Gravitation, also die anziehende Schwerkraft, und peu à peu entstanden dabei Materieanhäufungen, die sogenannten Galaxien und zum Teil auch Sterne. Da die Materiemenge im All sich nicht mehr veränderte, mussten sich an anderen Stellen gleichzeitig gewaltige Leerräume bilden. Das Universum strukturierte sich also grossräumig um. Nach heutigen Vorstellungen gibt es mittlerweile rund hundert Milliarden Galaxien, wovon man etwa die Hälfte tatsächlich mit den grössten Fernrohren, wie dem satellitengestützten Hubble-Teleskop, zumeist als Pünktchen erkennen kann. Aus der Ferne betrachtet verleihen sie dem Weltall ein "schwammiges" oder "schaumiges" Aussehen. Galaxien arrangieren sich vorwiegend in Gruppen von Hunderten oder sogar Tausenden. Da sie sich natürlich auch gegenseitig anziehen, kommt es zu gigantischen kosmischen Kollisionen, die vielen von ihnen ein "zerrupftes" Aussehen verleihen.
Eine schöne Galaxie ist demgegenüber unsere Heimatgalaxie, die Milchstrasse. Sie trägt diesen Namen, weil sie, von der Erde aus betrachtet, wie ein quer über das Firmament gesetzter, milchiger Pinselstrich erscheint. Sie ist eine zweiarmige Spiralgalaxie und entstand schon in der Urzeit des Weltgeschehens; ausserdem ist sie mit 100.000 Lichtjahren Ausdehnung relativ gross. Sie besteht aus ca. 400 Milliarden Sonnen und - vermutlich - mindestens ebensovielen Planeten. Unser irdisches Sonnensystem liegt, abgeschirmt vom heissen Zentrum, quasi in einem "kuscheligen Hinterhofbereich" der Milchstrasse. Zwar rast die benachbarte Andromeda-Galaxie auf die Milchstrasse mit 120 Kilometern pro Sekunde zu, aber ich kann mich bei meinen Leser dafür verbürgen, dass für uns daraus vorderhand kein Unheil erwachsen wird, selbst wenn wenn wir das Alter des sagenhaften Methusalem erreichen würden.
Die Galaxien sind die "Kinderstuben" der Sterne. Sie beinhalten riesige ausgedehnte Molekülwolken, die aus irgend einem Zufall etwas dichter sind als ihre Umgebung. Wegen der Schwerkraft fallen sie langsam in sich zusammen, was hunderttausend oder auch einige Millionen Jahre dauern kann. Die Gasbälle vergrössern sich immer mehr und verdichten sich dabei. Im Inneren steigt der Druck auf viele Millionen Atmosphären an und, wenn die Temperatur 15 Millionen Grad erreicht hat, kommt es zur Zündung des Fusionsfeuers. Ein Stern ist geboren, der Millionen, manchmal Milliarden Jahre lang als Sonne das Firmament erhellt. Seine Energie erhält er in erster Linie durch die nukleare Fusion der Wasserstoff- und Heliumkerne, wobei weitere Elemente des Periodensystems, bis hin zum Eisen, aufgebaut werden. Die Sternbildung hält bis heute an; man vermutet, dass jede Galaxie etwa 100 Milliarden strahlende Sonnen beheimatet.
Die Sterne sind von sehr unterschiedlicher Grösse und erstaunlicherweise ist die Lebensdauer der kleinen Sterne viel höher als die der grossen. (Unsere Sonne liegt so etwa in der Mitte.) Kleine Sterne gehen mit ihrem Fusionsbrennstoff sparsam um und brennen - bei dezenter Erwärmung ihrer Umgebung - manchmal 100 Milliarden Jahre oder noch länger. Superschwere Sterne erhitzen dagegen weite Areale und bringen es dadurch auf kaum mehr als eine Million Jahre. Dafür beenden sie ihr Leben mit einem höchst spektakulären Knalleffekt als Super-Nova. Sobald sich im Zentrum einer solchen Sonne der finale Eisenkern gebildet hat, erlischt das Fusionsfeuer und die gesamte äussere Hülle des Riesensterns kracht mit ungeheurer Wucht auf die metallene Mitte. Dabei entsteht eine Schockwellenexplosion, welche über mehrere Wochen heller leuchten kann, als die ganze Galaxie. Der zentrale Eisenkern wird zu einer bizarren Kugel von etwa 10 km Durchmesser zusammen gedrückt: ein superschwerer Neutronenstern ist entstanden. Ein einziger Teelöffel seiner Materie würde auf der Erde mehr als eine Milliarde Tonnen wiegen!
Unserer Sonne bleibtdieses Schicksal erspart; sie wird noch einige Milliarden Jahre so herrlich leuchten wie bisher. Dann aber wird sie sich durch enormes Aufblähen ihrer äusseren Schichten in einen sogenannten Roten Riesen verwandeln. Dabei verschlingt sie den nahen Planeten Merkur und vielleicht auch die Venus. Von der Erde aus wird sie als rot glühender Gasball sichtbar sein, der ein Drittel des Himmels einnimmt. Eine beeindruckende Vorstellung, aber leider werden wir Menschen dies nicht mehr wahrnehmen können. Schon lange vorher hat die Hitze unserer aufgedunsenen Sonne unseren Heimatplaneten verbrannt und die Ozeane verdunsten lassen.
Kommen wir nochmal zurück zum Todeskampf der superschweren Sterne. Die Entstehung einer Super-Nova nach Erlöschen des Fusionsfeuers sowie die anschliessende Bildung eines Neutronensterns, ist nicht die einzige Option für deren Exitus. Manchmal hält auch der Neutronenstern den gigantischen Belastungen der herabfallenden Sternhülle nicht mehr stand und es kommt zur Bildung eines Schwarzen Lochs. Dieses einst spekulative Phänomen wird heute von den Astrophysikern durchaus als real angesehen. Man kann es als astronomisches Objekt definieren, dessen Gravitation so hoch ist, dass selbst die Lichtteilchen (Photonen) darin gefangen werden. Ein Schwarzes Loch ist deshalb für das menschliche Auge nicht sichtbar. Ein Raumfahrer würde es bei seiner Navigation durch den Weltraum nicht sehen, bei unvorsichtiger Überschreitung seines Randes (Ereignishorizont genannt) in das Loch hineingezogen werden und - wie bei der mittelalterlichen Folter - auseinander gerissen werden.
Schwarze Löcher befinden sich vermutlich im Zentrum aller Galaxien und haben etwa die geometrische Ausdehnung unseres Sonnensystems. Von der Schwerkraft her repräsentieren sie aber Millionen, vielleicht sogar Milliarden von Sternen. Und diese Monster lassen sich zudem noch immerwährend füttern. Nicht, wie der sagenhafte Minotaurus, dem die Athener zur Besänftigung regelmässig Jungfrauen in sein Labyrinth zuführen mussten, sondern durch Materiegas, das sich in ihrer Nähe befindet. Dieses wird, ähnlich wie beim Wasserabflussrohr der Badewanne, durch die Schwerkraft in das Schwarze Loch eingestrudelt, leuchtet wegen der hohen Geschwindigkeitszunahme nochmal kurz auf und kann dadurch mit irdischen Teleskopen beobachtet werden.
Schwarze Mini-Löcher sollen demnächst an der Kernforschungsanlage CERN bei Genf erzeugt werden, wenn man Kernteilchen bei hoher Energie aufeinander schiesst. Nach Aussage der dortigen Physiker entsteht dadurch aber keine Gefahr für uns Erdbewohner und für unseren Planeten. Skeptische Zeitgenossen halten jedoch die Propagation dieser kleine Löcher für möglich, mit der Folge der Erzeugung eines grösseren Schwarzen Lochs und des Verschlingens unserer Erde. (Sollten wir alle in drei Jahren noch leben, dann haben die CERN-Physiker recht gehabt.)
Seit einigen Jahren beschäftigen sich die Astrophysiker mit einem weiteren merkwürdigen Phänomen unseres Weltalls, der sogenannten Dunklen Materie. Sie haben nämlich durch Nachrechnen festgestellt, dass die sichtbare Materie bei weitem nicht ausreichen kann, um die relativ schnelle Bildung der Sterne und Galaxien in der Urzeit zu erklären. Auch die schönen Spiralarme unserer Milchstrasse müssten längst abgerissen sein, weil sie sich viel zu schnell drehen und die Gravitation für den Zusammenhalt (rechnerisch) nicht ausreicht. So hat man die Hypothese aufgestellt, dass es, neben der sichtbaren Materie, noch eine weitere Kategorie - eben die Dunkle Materie - geben müsse, welche mit ihrer Schwerkraft für den Zusammenhalt des Universums sorgt. Aus der Hypothese ist mittlerweile eine starke Vermutung geworden; man nimmt sogar an, dass es im Weltall mindestens 5 mal mehr dunkle Materie gibt als sichtbare. Leider ist sie mit Teleskopen nicht zu beobachten; sie macht sich aber indirekt durch ihre gravitative Wechselwirkung bemerkbar.
Bis vor einiger Zeit glaubte man noch daran, es könnten die Neutrino-Teilchen sein. Von ihnen gibt es zwar ungeheuer viele, aber sie besitzen nur eine geringe Masse, weswegen sie letzlich als Kandidaten für die Dunkle Materie ausscheiden. Auch die im Weltraum umherirrenden, ausgebrannten - und damit unsichtbaren - Sternruinen hatte man im Verdacht. Aber ihrer sind zu wenige. Derzeit konzentriert sich die Suche auf neuartige atomare Teilchen, die sehr wenig mit ihrer Umgebung wechselwirken, welche aber dennoch eine beträchtliche Gravitation ausüben. Sie werden WIMPs genannt und sollen im LHC-Beschleuniger des CERN, der in Kürze in Betrieb geht, erzeugt und nachgewiesen werden.
Der Nobelpreis ist dem Chefwissenschaftler gewiss.
Samstag, 14. Juni 2008
Die ersten 3 Minuten des Universums
Wenn man, wie ich, nur 10 Strassenbahnminuten von der Universität Karlsruhe entfernt wohnt, so ergibt es sich schon, dass man die eine oder andere Vorlesung besucht, welche im Semesterverzeichnis angeboten ist. Früher hat es mich meist zu Vorträgen in Geschichte und Philosophie hingezogen, aber die geisteswissenschaftliche Fakultät wurde in den letzten Jahren personell stark ausgedünnt, wie dies bei einer (technischen) Elite-Uni leider zu erwarten war. So habe ich mich vor einigen Semestern der Astrophysik zugewandt, jener Wissenschaft, welche Astronomie mit Kernphysik vereint und geeignet ist, das Universum, in dem wir leben, von den Galaxien bis zu den Elementarteilchen zu erklären. Gleichzeitig kann ich dadurch mein Physikwissen, das ich vor fast 50 Jahren an den beiden Münchener Universitäten gewonnen habe, wieder etwas auffrischen.
Weil es effizienter ist, besuche ich nicht die Vorlesungen, sondern die Hauptseminare in Astrophysik, wovon pro Semester 2 bis 3 bei verschiedenen Lehrstühlen und Professoren (de Boer, Drexlin, Blümer) angeboten werden. Sie sind von jeweils 10 - 12 Studenten in höheren Semestern besucht, die zu einem vorgegebenen Thema einen Vortrag halten, der am Schluss diskutiert wird. Ich sitze - leicht erkennbar als allerhöchstes Semester - aber mit freundlicher Erlaubnis des Profs im hinteren Bereich, höre zu und stelle gelegentlich eine (mittelschlaue) Frage.
Es erscheint logisch, bei der Beschreibung des Universums mit dem Anfang zu beginnen. Aber so selbstverständlich ist das keineswegs, denn erst seit wenigen Jahrzehnten sind die Physiker wirklich davon überzeugt, dass die "Welt" einen Anfang hatte. Professor Einstein, der Entdecker zweier Relativitätstheorien und manch anderer physikalischer Delikatessen, war lange Zeit der Meinung, dass das Universum statisch und ewig sei. Deshalb war er auch so schockiert als er seine eigene Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitationsformel auf das Weltall anwendete und bei diesen Rechnungen herauskam, dass das Universum instabil war. Im Grunde hätte er das leicht vorhersehen können, denn die vielen Sterne des Alls ziehen sich wegen der Gravitation gegenseitig an und irgendwann, in ferner Zeit, muss es deshalb zu einen Kollaps kommen. Und wo ein Ende ist, da muss auch ein Anfang sein.
Aber so schnell lässt sich ein Einstein nicht von seinem "gefühlten" Wissen abbringen. Flugs fügte er in seine Weltformel ein korrigierendes Glied ein, die berühmte "kosmologische Konstante" und, siehe da, das Universum verhielt sich wieder stabil. Im Grunde war das ein ziemlich krummer mathematischer Trick, denn seine kosmologische Konstante war nichts anderes als eine Art "Anti-Schwerkraft" und diese hielt (formal) die Newtonsche Schwerkraft in schach. Die Sternenwelt konnte dadurch nicht mehr kontrahieren und kollabieren, sondern schwebte fortan im Faust´schen "ewigen Sphärenlauf" dahin. Einige Jahrzehnte später erkannte Einstein seinen Irrtum und bezeichnete ihn freimütig als "die grösste Eselei meines Lebens."
Heute ist es akzeptiertes Wissen unter den Astrophysikern und Kosmologen, dass das Universum vor etwa 13,7 Milliarden Jahren seinen Anfang nahm - und zwar aus einem winzigen Punkt heraus. Diesen Punkt muss man sich wirklich winzig vorstellen: milliardenfach kleiner als einen Atomkern. Die Mathematiker bezeichnen so etwas Kleines als "Singularität"; ihre Formeln versagen an dieser Stelle. Aus einem solchen Punkt entwickelte sich der gesamte Kosmos mit seinen Billionen an Sternen und Galaxien. Wer den Anstoss dazu gab? Man weiss es nicht. Vielleicht war es ein "Gott"? Für einen Forscher ist das jedoch keine gangbare Hypothese. Er mag als Privatmann an Gott glauben, im wissenschaftlichen Bereich darf er ihn nicht als "deus ex machina" bemühen.
Den Augenblick der Weltentstehung bezeichnet man als "Urknall", im Englischen (mit ironischem Unterton) als "Big Bang". Den Urknall sollte man sich keinesfalls als eine Art Superexplosion in einem schon bestehenden Raum vorstellen. Nein, durch ihn entsteht erst Energie und Materie, der Raum spannt sich auf und die Zeit beginnt zu laufen. Deshalb ist auch die beliebte Frage, was vor dem Urknall gewesen sei, physikalisch unsinnig. Vor dem Urknall war das absolute "Nichts"; es gab weder Raum noch Zeit.
Den Zeitablauf nach dem Urknall stellt man sich in etwa so vor: Mit dem Urknall wurde eine ungeheure Menge an (Strahlen-) Energie entlassen, der Raum blähte sich rasend schnell auf und auf der Zeitskala bildeten sich nacheinander etwa ein halbes Dutzend Ereignisphasen heraus, die zu beschreiben Hundertschaften von Physikern ihr gesamtes Berufsleben widmeten. Die Strahlung E wandelte sich sukzessive in die Materie m um, was nach der Einsteinschen Formel E=mc2 physikalisch zulässig ist.
Über verschiedene Zwischenstufen (Quarks, Hadronen etc.) bildeten sich schliesslich die uns vertrauten Elementarteilchen Protonen, Neutronen und Elektronen, nebst Strahlenteilchen wie Neutrinos und Photonen. Weil der Raum durch die Ausdehnung immer grösser wurde, kühlte sich auch die anfängliche Strahlenenergie immer mehr ab und die genannten Materieteilchen "flockten" gewissermassen aus. (So wie die Regentropfen oder die Schneekristalle aus unterkühlten Wasserdampfwolken ausflocken.) Und nun kommt es: in sage und schreibe einer Zehntel Sekunde nach Beginn des Urknalls waren sämtliche Elementarteilchen gebildet, die man zum späteren Aufbau aller Sterne und Galaxien benötigt. Null-komma-eine Sekunde, das ist gerade mal ein Wimpernschlag. Wow!
Aber das ist noch nicht alles. Zur gleichen Zeit bildeten sich aus der "Ursuppe" auch die 4 Kräfte heraus, mit der wir es in dieser Welt zu tun haben. Zuerst spaltete sich die Gravitationskraft ab. Sie ist die bei weitem schwächste Kraft, aber die wichtigste im Universum, denn sie bestimmt die Bahnen der Sterne und der Galaxien. Danach kam es zur Abspaltung der starken Kernkraft (für die Anziehung der Atomkerne), der schwachen Kernkraft (für den radioaktiven Zerfall) sowie der uns aus dem Alltag vertrauten elektromagnetischen Kraft.
Doch der oben geschilderte Phasenablauf hat noch einige Macken, wovon ich zwei kurz erwähnen möchte. Das Universum wäre nach 0,1 sec nämlich noch recht klein, sofern es sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/sec) aufgespannt hätte. Gerade mal 30.000 km würde es messen, knapp den Umfang unserer Erde. Stattdessen muss es zu diesem Zeitpunkt billiardenfach grösser gewesen sein, denn sonst wäre die Ursuppe noch viel zu heiss für das Auskristallisieren der Elementarteilchen gewesen. Die Physiker behelfen sich, indem sie annehmen, dass sich der Raum kurz nach dem Urknall "inflationär" aufgebläht hat. Innerhalb eines winzigen Zeitraums hat er sich um den gigantischen Faktor von 10 mit 50 Nullen (also 10 hoch 50) ausgedehnt. Das ist durchaus vereinbar mit den Gesetzen der Physik, denn die Lichtgeschwindigkeit ist nur innerhalb des Raumes auf den oben genannten Wert begrenzt, der Raum selbst darf sich sehr viel schneller ausdehnen. Was den Anstoss zu dieser "Phase der Inflation" gab, ist noch nicht ganz geklärt; man spricht von spontaner Symmetriebrechung. Besonders dubios ist, wodurch diese Raumdehnung schliesslich wieder gestoppt werden konnte.
Des weiteren verblüfft die Physiker, wie es überhaupt zur Bildung von Masse kommen konnte. Denn nach ihrem derzeitigen theoretischen Standardmodell hätte sich exakt gleichviel Materie und Antimaterie bilden müssen, also gleichviele positiv und negativ geladene Elementarteilchen. Den Protonen hätten gleichviele Antiprotonen gegenüber stehen müssen, den Elektronen gleichviele Positronen. Diese entgegengesetzt geladenen Teilchen haben die Tendenz sich zu vereinigen und unter Bildung von Strahlenenergie zu "verschwinden" (Annihilation). Wo kommen also die vielen positiv geladenen Protonen und die negativ geladenen Elektronen her, ohne die unser Weltall leer wäre und ohne die es selbstverständlich auch uns Menschen nicht gäbe? Auch diese Frage ist noch nicht endgültig geklärt. Eine erste Antwort darauf hat der russische Physiker und Dissident Andrej Sacharow gegeben. Er brachte eine Hypothese vor, nach der es in einer frühen Phase des Urknalls zu einer leichten Bevorzugung der Materie gegenüber der Antimaterie gekommen ist. Als Folge daraus löschten sich zwar fast alle Teilchen und Antiteilchen aus - aber der Bruchteil von einem Milliardstel blieb übrig und dieser reichte aus, um unser Universum mit Masse zu füllen.
Nach diesen Abschweifungen aber zurück zum Phasenablauf des Urknalls. Wir waren erst beim Zeitpunkt 0,1 sec angelangt; die Elementarteilchen sind gerade gebildet worden. Nun, der Raum dehnte sich weiterhin aus, wenn auch mit weit geringerer Geschwindigkeit als während der Inflationsphase. Und durch die Ausdehnung kühlte er sich ab. Etwa 10 Sekunden nach dem Urknall war er "nur" noch einige Milliarden Grad heiss und eine neue Phase setzte ein: die Fusion. Für die vorher frei umher schwirrenden Protonen und Neutronen war es jetzt kühl genug, sich dauerhaft aneinander zu lagern - unter Abgabe von Energie. Abhängig vom Verhältnis der fusionierenden Protonen und Neutronen bildeten sich verschiedene (leichte) Atomkerne heraus, wobei Helium weit überwog. Da die freien Neutronen nur die kurze Halbwertszeit von 15 Minuten besitzen, verschwanden sie schnell von der Bildfläche und eine Menge (alleinstehender) Protonen blieb übrig, welche die Wasserstoffkerne bildeten.
Diese Phase, welche ungefähr 3 Minuten anhielt, nennen die Fachleute "primordiale Nukleosynthese". Wir Amateure dürfen dazu auch "urzeitliche Atomkernbildung" sagen. In der Bilanz sind am Ende etwa 25 % Helium, 75 % Wasserstoff und geringfügige Spuren einiger leichter Elemente wie Deuterium, Lithium, Beryllium und Bor entstanden. Das genügt für die Bildung einer Sonne, aber eine Erde mit eisenhaltigen Gesteinsbrocken hätte man daraus nicht machen können.
Deshalb gibt es eine Fortsetzung dieses Blogs zum nächsten Wochenende.
Weil es effizienter ist, besuche ich nicht die Vorlesungen, sondern die Hauptseminare in Astrophysik, wovon pro Semester 2 bis 3 bei verschiedenen Lehrstühlen und Professoren (de Boer, Drexlin, Blümer) angeboten werden. Sie sind von jeweils 10 - 12 Studenten in höheren Semestern besucht, die zu einem vorgegebenen Thema einen Vortrag halten, der am Schluss diskutiert wird. Ich sitze - leicht erkennbar als allerhöchstes Semester - aber mit freundlicher Erlaubnis des Profs im hinteren Bereich, höre zu und stelle gelegentlich eine (mittelschlaue) Frage.
Es erscheint logisch, bei der Beschreibung des Universums mit dem Anfang zu beginnen. Aber so selbstverständlich ist das keineswegs, denn erst seit wenigen Jahrzehnten sind die Physiker wirklich davon überzeugt, dass die "Welt" einen Anfang hatte. Professor Einstein, der Entdecker zweier Relativitätstheorien und manch anderer physikalischer Delikatessen, war lange Zeit der Meinung, dass das Universum statisch und ewig sei. Deshalb war er auch so schockiert als er seine eigene Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitationsformel auf das Weltall anwendete und bei diesen Rechnungen herauskam, dass das Universum instabil war. Im Grunde hätte er das leicht vorhersehen können, denn die vielen Sterne des Alls ziehen sich wegen der Gravitation gegenseitig an und irgendwann, in ferner Zeit, muss es deshalb zu einen Kollaps kommen. Und wo ein Ende ist, da muss auch ein Anfang sein.
Aber so schnell lässt sich ein Einstein nicht von seinem "gefühlten" Wissen abbringen. Flugs fügte er in seine Weltformel ein korrigierendes Glied ein, die berühmte "kosmologische Konstante" und, siehe da, das Universum verhielt sich wieder stabil. Im Grunde war das ein ziemlich krummer mathematischer Trick, denn seine kosmologische Konstante war nichts anderes als eine Art "Anti-Schwerkraft" und diese hielt (formal) die Newtonsche Schwerkraft in schach. Die Sternenwelt konnte dadurch nicht mehr kontrahieren und kollabieren, sondern schwebte fortan im Faust´schen "ewigen Sphärenlauf" dahin. Einige Jahrzehnte später erkannte Einstein seinen Irrtum und bezeichnete ihn freimütig als "die grösste Eselei meines Lebens."
Heute ist es akzeptiertes Wissen unter den Astrophysikern und Kosmologen, dass das Universum vor etwa 13,7 Milliarden Jahren seinen Anfang nahm - und zwar aus einem winzigen Punkt heraus. Diesen Punkt muss man sich wirklich winzig vorstellen: milliardenfach kleiner als einen Atomkern. Die Mathematiker bezeichnen so etwas Kleines als "Singularität"; ihre Formeln versagen an dieser Stelle. Aus einem solchen Punkt entwickelte sich der gesamte Kosmos mit seinen Billionen an Sternen und Galaxien. Wer den Anstoss dazu gab? Man weiss es nicht. Vielleicht war es ein "Gott"? Für einen Forscher ist das jedoch keine gangbare Hypothese. Er mag als Privatmann an Gott glauben, im wissenschaftlichen Bereich darf er ihn nicht als "deus ex machina" bemühen.
Den Augenblick der Weltentstehung bezeichnet man als "Urknall", im Englischen (mit ironischem Unterton) als "Big Bang". Den Urknall sollte man sich keinesfalls als eine Art Superexplosion in einem schon bestehenden Raum vorstellen. Nein, durch ihn entsteht erst Energie und Materie, der Raum spannt sich auf und die Zeit beginnt zu laufen. Deshalb ist auch die beliebte Frage, was vor dem Urknall gewesen sei, physikalisch unsinnig. Vor dem Urknall war das absolute "Nichts"; es gab weder Raum noch Zeit.
Den Zeitablauf nach dem Urknall stellt man sich in etwa so vor: Mit dem Urknall wurde eine ungeheure Menge an (Strahlen-) Energie entlassen, der Raum blähte sich rasend schnell auf und auf der Zeitskala bildeten sich nacheinander etwa ein halbes Dutzend Ereignisphasen heraus, die zu beschreiben Hundertschaften von Physikern ihr gesamtes Berufsleben widmeten. Die Strahlung E wandelte sich sukzessive in die Materie m um, was nach der Einsteinschen Formel E=mc2 physikalisch zulässig ist.
Über verschiedene Zwischenstufen (Quarks, Hadronen etc.) bildeten sich schliesslich die uns vertrauten Elementarteilchen Protonen, Neutronen und Elektronen, nebst Strahlenteilchen wie Neutrinos und Photonen. Weil der Raum durch die Ausdehnung immer grösser wurde, kühlte sich auch die anfängliche Strahlenenergie immer mehr ab und die genannten Materieteilchen "flockten" gewissermassen aus. (So wie die Regentropfen oder die Schneekristalle aus unterkühlten Wasserdampfwolken ausflocken.) Und nun kommt es: in sage und schreibe einer Zehntel Sekunde nach Beginn des Urknalls waren sämtliche Elementarteilchen gebildet, die man zum späteren Aufbau aller Sterne und Galaxien benötigt. Null-komma-eine Sekunde, das ist gerade mal ein Wimpernschlag. Wow!
Aber das ist noch nicht alles. Zur gleichen Zeit bildeten sich aus der "Ursuppe" auch die 4 Kräfte heraus, mit der wir es in dieser Welt zu tun haben. Zuerst spaltete sich die Gravitationskraft ab. Sie ist die bei weitem schwächste Kraft, aber die wichtigste im Universum, denn sie bestimmt die Bahnen der Sterne und der Galaxien. Danach kam es zur Abspaltung der starken Kernkraft (für die Anziehung der Atomkerne), der schwachen Kernkraft (für den radioaktiven Zerfall) sowie der uns aus dem Alltag vertrauten elektromagnetischen Kraft.
Doch der oben geschilderte Phasenablauf hat noch einige Macken, wovon ich zwei kurz erwähnen möchte. Das Universum wäre nach 0,1 sec nämlich noch recht klein, sofern es sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/sec) aufgespannt hätte. Gerade mal 30.000 km würde es messen, knapp den Umfang unserer Erde. Stattdessen muss es zu diesem Zeitpunkt billiardenfach grösser gewesen sein, denn sonst wäre die Ursuppe noch viel zu heiss für das Auskristallisieren der Elementarteilchen gewesen. Die Physiker behelfen sich, indem sie annehmen, dass sich der Raum kurz nach dem Urknall "inflationär" aufgebläht hat. Innerhalb eines winzigen Zeitraums hat er sich um den gigantischen Faktor von 10 mit 50 Nullen (also 10 hoch 50) ausgedehnt. Das ist durchaus vereinbar mit den Gesetzen der Physik, denn die Lichtgeschwindigkeit ist nur innerhalb des Raumes auf den oben genannten Wert begrenzt, der Raum selbst darf sich sehr viel schneller ausdehnen. Was den Anstoss zu dieser "Phase der Inflation" gab, ist noch nicht ganz geklärt; man spricht von spontaner Symmetriebrechung. Besonders dubios ist, wodurch diese Raumdehnung schliesslich wieder gestoppt werden konnte.
Des weiteren verblüfft die Physiker, wie es überhaupt zur Bildung von Masse kommen konnte. Denn nach ihrem derzeitigen theoretischen Standardmodell hätte sich exakt gleichviel Materie und Antimaterie bilden müssen, also gleichviele positiv und negativ geladene Elementarteilchen. Den Protonen hätten gleichviele Antiprotonen gegenüber stehen müssen, den Elektronen gleichviele Positronen. Diese entgegengesetzt geladenen Teilchen haben die Tendenz sich zu vereinigen und unter Bildung von Strahlenenergie zu "verschwinden" (Annihilation). Wo kommen also die vielen positiv geladenen Protonen und die negativ geladenen Elektronen her, ohne die unser Weltall leer wäre und ohne die es selbstverständlich auch uns Menschen nicht gäbe? Auch diese Frage ist noch nicht endgültig geklärt. Eine erste Antwort darauf hat der russische Physiker und Dissident Andrej Sacharow gegeben. Er brachte eine Hypothese vor, nach der es in einer frühen Phase des Urknalls zu einer leichten Bevorzugung der Materie gegenüber der Antimaterie gekommen ist. Als Folge daraus löschten sich zwar fast alle Teilchen und Antiteilchen aus - aber der Bruchteil von einem Milliardstel blieb übrig und dieser reichte aus, um unser Universum mit Masse zu füllen.
Nach diesen Abschweifungen aber zurück zum Phasenablauf des Urknalls. Wir waren erst beim Zeitpunkt 0,1 sec angelangt; die Elementarteilchen sind gerade gebildet worden. Nun, der Raum dehnte sich weiterhin aus, wenn auch mit weit geringerer Geschwindigkeit als während der Inflationsphase. Und durch die Ausdehnung kühlte er sich ab. Etwa 10 Sekunden nach dem Urknall war er "nur" noch einige Milliarden Grad heiss und eine neue Phase setzte ein: die Fusion. Für die vorher frei umher schwirrenden Protonen und Neutronen war es jetzt kühl genug, sich dauerhaft aneinander zu lagern - unter Abgabe von Energie. Abhängig vom Verhältnis der fusionierenden Protonen und Neutronen bildeten sich verschiedene (leichte) Atomkerne heraus, wobei Helium weit überwog. Da die freien Neutronen nur die kurze Halbwertszeit von 15 Minuten besitzen, verschwanden sie schnell von der Bildfläche und eine Menge (alleinstehender) Protonen blieb übrig, welche die Wasserstoffkerne bildeten.
Diese Phase, welche ungefähr 3 Minuten anhielt, nennen die Fachleute "primordiale Nukleosynthese". Wir Amateure dürfen dazu auch "urzeitliche Atomkernbildung" sagen. In der Bilanz sind am Ende etwa 25 % Helium, 75 % Wasserstoff und geringfügige Spuren einiger leichter Elemente wie Deuterium, Lithium, Beryllium und Bor entstanden. Das genügt für die Bildung einer Sonne, aber eine Erde mit eisenhaltigen Gesteinsbrocken hätte man daraus nicht machen können.
Deshalb gibt es eine Fortsetzung dieses Blogs zum nächsten Wochenende.
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