Harald Lesch - SÜdwestrundfunk

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SÜdwestrundfunk
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bet | 2/2 | Sana | 07.05.2021 | Hajmi | 29,33 Kb. | | #14366 |
Harald Lesch:
„Ohne Zweifel, sagte er, sei nicht nur das Leben eine verhältnismäßig rasch vorübergehende Episode, das Sein selbst sei eine solche zwischen nichts und nichts. Es habe das Sein nicht immer gegeben und werde es nicht immer geben. Es habe einen Anfang gehabt und werde ein Ende haben, mit ihm aber Raum und Zeit, denn die seien nur durch das Sein und durch dieses aneinander gebunden. Raum, sagte er, sei nichts weiter als die Ordnung oder Beziehung materieller Dinge untereinander. Ohne Dinge, die ihn einnähmen, gäbe es keinen Raum und auch keine Zeit. Denn Zeit sei nur eine durch das Vorhandensein von Körpern ermöglichte Ordnung von Ereignissen, das Produkt von Bewegung, von Ursache und Wirkung, deren Abfolge der Zeit Richtung verleihe, ohne welche es die Zeit nicht gäbe.“
Das war ein Zitat aus dem Roman „Bekenntnisse des Hochstaplers Felix Krull“, Professor Kuckuck versucht im Zug, Felix Krull zu erklären, wie das Universum funktioniert.
Heute geht es in meinem Vortrag um die Elemente. Wir hatten ja schon davon gesprochen, dass offenbar winzigste Asymmetrien Ursache dafür sind, dass überhaupt Teilchen existieren oder dass wir existieren. Diese Aussage erweckt natürlich den Eindruck, dass alles nur Zufall gewesen sei, dass der Kosmos möglicherweise sogar auf einem Verstoß gegen die Naturgesetze basiere. Aber das kann nicht sein, denn gegen Naturgesetze kann nichts verstoßen, sonst wären es keine Naturgesetze. Also allem Anschein nach gehören auch gewisse Asymmetrien in unserem Universum zu den Naturgesetzen. Mehr können wir Astrophysiker dazu eigentlich gar nicht sagen.
Was Sie ganz persönlich damit machen, wie sie mit den Asymmetrien umgehen, weiß ich nicht, da kann ich Ihnen auch nicht helfen. Das ist keine Sache mehr für die Naturwissenschaft, sondern eine Sache für den Menschen, für seine Weltanschauung. Denn seien wir doch mal ehrlich: Was uns an der Kosmologie wirklich interessiert, sind doch nicht diese ganzen naturwissenschaftlichen Details. Die eigentliche Frage lautet doch: Basiert unser Universum auf dem Zufall, verdankt es sich einem planenden Schöpfer? Deshalb ist die Kosmologie spannend für uns. Genauso interessieren wir uns für die Zeit eigentlich nur deshalb, weil wir wissen, dass wir sterben müssen. Es ist uns doch völlig egal, dass wir heute die Zeit sehr exakt messen können; aber wir wissen, dass die Zeit für uns abläuft. Und so verhält es sich auch mit den kosmologischen Fragen, denn auch sie betreffen unser Selbstverständnis als Menschen, sie berühren Fragen wie: Was machen wir hier eigentlich, einerseits mit unserer Zeit und andererseits in einem Kosmos, der offenbar nur von „quantenmechanischen Dreckeffekten“, von Asymmetrien beherrscht wird.
Ich kann Ihnen nur die astrophysikalischen Fakten erzählen, die Bewertung aber findet auf einer ganz anderen Ebene statt. Und ich glaube, das sollten wir alle immer im Hinterkopf behalten. Die Ergebnisse aus der Naturwissenschaft alleine machen uns nicht aus. Was wir aus diesen Erkenntnissen machen, bleibt uns überlassen und ist eine ganz andere Geschichte.
Nun aber wieder zurück zu unserem astrophysikalischen Universum, dem wir uns jetzt bis an die 3-Minute-Grenze nähern. Wir befinden uns in der Frühphase des Universums, die Temperaturen sinken und sinken, Protonen und Neutronen bauen sich auf, und zwar nur aus zwei Quarks, nämlich den Up- und Down-Quarks. Es gibt zwar noch vier andere Quarks, die aber für uns jetzt nicht relevant sind. Die Up- und Down-Quarks bauen die Nukleonen auf, während sich das Universum weiter und weiter abkühlt. Und es kommt zum letzten großen Phasenübergang: Als das Universum 1010 Grad heiß war, „flockten“ zum letzten Mal Materieteilchen aus, nämlich Elektronen und Positronen.
Als die Temperatur unter 1010 Grad gesunken war, passierte wieder genau das gleiche wie vorher, nämlich dass sich nicht zu jedem Elektron sein Positron, also sein Antiteilchen, fand; vielmehr blieb wiederum auf 5 Milliarden Elektron- und Positron-Paare ein Elektron übrig.
Es sind jetzt also Protonen, Elektronen und Neutronen entstanden. Nachdem die Temperatur auf 1 Milliarde Grad gesunken war, bildeten sich die ersten Atomkerne aus. Und das passierte folgendermaßen: Wir erinnern uns, die Dichte des Universums war hoch, die Temperaturen waren hoch, und so konnte es zur Verschmelzung von Kernbausteinen, den Nukleonen, kommen.
In der ersten Phase entstanden Wasserstoff und Helium. Wie? Wasserstoff ist ganz einfach aufgebaut, er besteht lediglich aus einem Proton, dann ist der Wasserstoffkern schon fertig. Helium dagegen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Neutronen haben einen Nachteil: sie zerfallen innerhalb von 13 Minuten in Protonen, Elektronen und einige Teilchen mehr. Also wenn das Universum am Anfang die ersten leichten Elemente erbrüten haben will, dann muss das schnell genug gegangen sein, sonst wären die Neutronen zerfallen.
Jetzt brauchen wir etwas Kernphysik: Ein Helium-Atomkern enthält wie gesagt immer zwei Protonen. Diese zwei Protonen allein können einen Atomkern nicht stabil halten, denn wir wissen, gleichnamige Ladungen stoßen einander ab, die Protonen würden also auseinanderdriften. Es muss demnach eine Kraft geben, die die Protonen zusammenhält, und diese Kraft sind die Neutronen oder genauer gesagt, die Quarks, aus denen die Neutronen bestehen. Diese Quarks sorgen dafür, dass ein Proton sich in ein Neutron verwandelt. Und auf diese Weise bleibt ein Atomkern stabil.
So sind am Anfang Wasserstoff und Helium entstanden, und zwar genau in dem Verhältnis, wie man es erwartet hat: 75 Prozent Wasserstoff, 25 Prozent Helium. Man kann sogar die Isotopenverteilung bestimmen. Ein Isotop ist der Atomkern eines Elementes mit unterschiedlicher Neutronenhäufigkeit. Die Urknallkosmologie erlaubt uns, Vorhersagen zu machen über die elementaren Bestandteile des Kosmos. Vorhanden sind z. B. Fluor, Jod, Beryllium, aus diesen Elementen sind wir Menschen ja gemacht. Wo kommt das alles her? Diese Elemente werden in Sternen erbrütet, und zwar auf fantastische Art und Weise, darauf kann ich jetzt aber nicht näher eingehen.
Wie gesagt: Die schweren Elemente werden in Sternen erbrütet, die leichten Elemente dagegen nicht. Die Entstehung der leichten Elemente im frühen Kosmos ist die sogenannte „primordiale Nukleosynthese“, der Gegensatz dazu wäre die „stellare Nukleosynthese“, das Entstehen von Elementen in den Sternen; und das wiederum führt dazu, dass z. B. Wasserstoff im Stern zu Helium verbrannt wird, und wenn der Stern in seinem Inneren den Wasserstoff zu Helium verbrannt hat, dann kann aus Helium Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff usw. werden. Aber im frühen Kosmos war das nicht möglich. Denn diese ganzen Vorgänge, das Entstehen von Wasserstoff, die Erzeugung von Helium aus dem Wasserstoffkern und den freien Neutronen dauerte ja eine Weile. Und was machte das Universum währenddessen? – Es expandierte und kühlte sich dabei ab. D. h., die Energie, die für die Teilchen da war, um zusammenzustoßen und zu Atomkernen zu werden, nämlich zu größeren Atomkernen, die wurde immer weniger, und irgendwann ging’s nicht mehr weiter. Da wurde noch ein bisschen Lithium zusammengebaut und dann war Schluss. Denn um die elektrostatische Abstoßung von Protonen zu überwinden, wird natürlich Energie gebraucht. Die müssen ja richtig zusammenstoßen, damit die quantenmechanischen Kräfte, die dafür sorgen, dass Atomkerne zusammenhängen, überhaupt greifen können. Das ist ähnlich wie am Zirkustrapez: Da gibt es einen Fänger und einen der springt. Wenn der Akrobat nicht weit genug springt, kann der Fänger noch so sehr versuchen, ihn zu fangen, das wird nicht funktionieren. Also die beiden Protonen müssen sich wirklich nahe genug kommen, nur dann kann der Fänger den Springer zu fassen bekommen. Das heißt also, es ist eine gewisse Menge „kinetischer Energie“ – das ist Bewegungsenergie - notwendig, und dann gelingt es.
Nur als das Universum immer kühler und kühler wurde - und denken Sie daran, die Temperatur ist ein Maß für die Bewegungsenergie der Teilchen - sank auch die Bewegungsenergie, so dass es nicht mehr möglich wurde, dass Elemente sich weiterhin gebildet haben. Das Universum begann also als recht langweiliges Etwas aus Wasserstoff und Helium. Und nach drei Minuten war alles vorbei!
Es dehnte sich weiter aus, wurde immer kühler, winzig kleine Gasschwankungen traten auf, die aber kaum zu erkennen waren. Selbst der Bodensee wäre an einem völlig windstillen Tag mit seiner spiegelglatten Oberfläche im Vergleich zum frühen Kosmos noch immer unglaublich unregelmäßig. Die Schwankungen auf der Oberfläche des frühen Kosmos waren wirklich winzig, nämlich 1 zu 100.000, das Gas war fast völlig gleichmäßig verteilt. Es war also fürchterlich langweilig. – Und es wurde immer dunkler und kühler.
Erst als die Temperatur sich auf ein paar Tausend Grad abkühlte, passierte noch mal etwas, die letzte große Party im Universum fand statt: Die bis dahin frei fliegenden Elektronen wurden von den Atomkernen eingefangen und zum ersten Mal entstand neutraler Wasserstoff und neutrales Helium.
Und jetzt wird’s spannend, denn jetzt hatten die Photonen, die Lichtteilchen, die zur Hintergrundstrahlung gehören, keinen „Stoßpartner“ mehr.
Noch mal: Wasserstoff und Helium existieren, das Universum wird kühler. Und während der ganzen Zeit gab es eine intensive Kopplung zwischen Strahlung und Materie. Warum? – Wenn ein Photon sich bewegt und mit einem Teilchen zusammenstößt, vor allem mit dem Elektron, dann kann das Photon Energie verlieren. Da das Elektron und das Photon aber im thermischen Gleichgewicht sind, haben die Elektronen die gleiche Temperatur wie die Strahlung.
Jetzt stellen Sie sich vor, ein paar Photonen haben sich mit ein paar Elektronen zusammen getan, zu einer Verdichtung quasi. Eine Verdichtung hat ja aufgrund seiner höheren Dichte die Tendenz, dass noch andere Teilchen dazu kommen. Schon im frühen Kosmos hätte man Verdichtungen erzeugen können, wenn nicht die Strahlung da gewesen wäre. Das frühe Universum war ja so hell, dass jede Verdichtung von Teilchen sofort vernichtet wurde. Denn wenn ein Elektron mit einem Photon wechselwirkt, dann bekommt das Elektron z. B. einen Impuls und fliegt davon. Ein fliegendes Elektron wird von einem Proton angezogen. Auf diese Art und Weise wird jede Erhöhung von Teilchendichten an einer Stelle durch die Strahlung praktisch „wegrasiert“. Das ist wie im Herbst, wenn Sie Laub zusammengefegt haben. Dann kommt ein Sturm und schwupps, ist der ganze Laubhaufen schon wieder schön gleichmäßig verteilt. Das heißt, im frühen Universum ist es nicht möglich gewesen für irgendwelche Teilchen, die mit Strahlung in Wechselwirkung standen, auch nur die winzigste und allerkleinste Verdichtung zu bilden.
Aber dann gab es eine Phase, nachdem das Universum auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt war, als die Elektronen, die Stoßpartner der Photonen, in den Atomen verschwanden. Die Atome wurden elektrisch neutral, und das Universum wurde für die Strahlung durchsichtig. Ein Kollege hat mal geschrieben: „Der Lichtnebel des Urknalls lichtete sich“.
Dieser Lichtnebel, diese Abkopplung der Strahlung von der Materie, ist der Lichtvorhang, der vor diesen ganzen Ereignissen im ganz frühen Kosmos liegt. Wenn wir also von unserem Heute aus, vom Hier und Jetzt ins Universum zurückschauen, z. B. mit einem Experiment, wo wir versuchen, diese kosmische Hintergrundstrahlung zu untersuchen, die nämlich genau an dieser Stelle dann endlich frei geworden ist, als die Entkopplung der Materie von der Strahlung sich vollzog, 400.000 Jahre nach dem Urknall, bei einer Temperatur von rund 4.000 Grad, wenn wir diese Strahlung heute im Universum „sehen“, dann ist sie eben nicht mehr bei einer Temperatur von 4.000 Grad, sondern aufgrund der Expansion nur noch bei – 271 Grad Celsius bzw. 2,7 Grad Kelvin. Das ist übrig geblieben vom Urknall. Und damals wurde das Universum zum ersten Mal durchsichtig. Wenn wir heute auf die Strahlung zurückschauen, auf das Damals, dann ist das wie ein Vorhang. Alles, was zeitlich davor war, wurde durch die intensive Wechselwirkung von Strahlung und Materie praktisch zerstört. Richtungsinformationen wie „Hier war mal eine Verdichtung“ gibt es nicht, weil das Licht diese Richtungsinformationen völlig vernichtet hat. Das ist so, wie wenn Sie in einer Nebelwolke stehen und man sagt Ihnen, in dieser Wolke bewegt sich nun ein Auto auf Sie zu. Am Anfang werden Sie gar nichts sehen. Der Nebel ist so dicht, dass sie von den Autoscheinwerfern überhaupt nichts wahrnehmen werden. Erst wenn der Wagen nahe genug ist, werden Sie ein erstes verschwommenes Licht registrieren, dann dass es sich um zwei Scheinwerfer handelt, und wenn der Wagen noch näher gekommen ist, werden Sie vielleicht sogar bemerken, dass der Fahrer seine Nebelscheinwerfer angeschaltet hat. Aber das funktioniert erst, wenn das Auto schon sehr dicht bei Ihnen ist.
So ist es auch, wenn wir in den Kosmos zurückschauen: Die Lichtnebelwand ist die erste elektromagnetische Erkenntnisgrenze für uns. Wir können nicht tiefer ins Universum hineinschauen als bis zu dieser Wand. D. h. die ganzen Vorgänge des Urknalls, die nämlich hinter dieser Wand liegen, werden für uns direkt immer unzugänglich sein. Wir haben keine Möglichkeit, irgendetwas darüber zu erfahren. Aber wir können ja aus den Eigenschaften der Hintergrundstrahlung, die eben seit diesem Moment frei im Universum sich bewegt, ablesen, wie es gewesen ist, als die Strahlung sich abkoppelte von der Materie.
Und was wir da lesen, ist schon ziemlich erschütternd. Denn da lesen wir, dass die Materie, die mit Strahlung wechselwirkt, zum Zeitpunkt der Entkopplung, also 400.000 Jahre nach dem Urknall, so gut wie überhaupt keine Dichteschwankungen gehabt hat. 1 zu 100.000 ist keine Dichteschwankung, das ist gar nichts.
Aber damit in diesem Kosmos Galaxien entstehen konnten, muss das Material dicht gewesen sein. Dicht heißt, es muss sehr starke Dichteschwankungen gegeben haben. Das ist eines der ganz großen Geheimnisse des Universums, finde ich. Stellen Sie sich vor, das Universum expandiert, fliegt auseinander. Und doch sind in diesem Universum ja Materieanteile unter ihrem eigenen Gewicht zusammengebrochen, sie haben sozusagen „ihr eigenes Ding gemacht“. Sie haben sich von der allgemeinen Expansion entkoppelt und sind zu Galaxien geworden. Wie konnte denn das geschehen?
Das kann nur möglich sein, wenn eine bestimmte Kraft „zuschlägt“. Es kann nur eine Kraft da sein, die Schwerkraft, so dass Material unter dem eigenen Gewicht zusammenfallen kann. Mit anderen Worten: Die Materie hat sich entgegen dem allgemeinen Drang des Kosmos zur Expansion, zur Gleichverteilung, in gewissen Bereichen verdichtet. Das geht aber nur, wenn die Schwerkraft tatsächlich auch wirken kann. Und wann kann die Schwerkraft in einem Gebiet wirken? Nur dann, wenn die Dichte größer ist als in der Umgebung. Denn die Schwerkraft hängt ja an der Masse. Je mehr Masse in einem Volumen ist, umso größer ist seine Schwerkraft. Will man also Galaxien entstehen lassen, muss es im ganz frühen Kosmos genügend Dichteschwankungen gegeben haben, so dass die Materie auch in diese Potentiale, nämlich in diese Schwerkraftfelder, quasi hineinfallen konnte.
Das ist aber gar nicht so einfach, denn im frühen Kosmos, das haben wir schon besprochen, war ja der Druck des Lichtes da, der dafür gesorgt hat, dass das Material immer wieder auseinander geflogen ist. Da konnte also die Materie, die mit Strahlung wechselwirkt, offenbar keine Dichtefluktuation produzieren, in denen später die Galaxien entstanden sind.
Wir können zusammenfassen: Die Dichteschwankungen in der Hintergrundstrahlung sagen uns, dass die leuchtende Materie, also die Materie, die mit Strahlung wechselwirkt, zu schwache Dichteschwankungen hatte, um überhaupt zu Galaxien werden zu können. Also muss es eine Form von Materie geben, die nicht mit der Strahlung wechselwirkt, die sich von der Strahlung entkoppelt hat und früher anfangen konnte, Dichtefluktuation aufzubauen. Materie, die nicht mit Strahlung wechselwirkt, also sogenannte „dunkle Materie“, konnte sich unter ihrem eigenen Gewicht schon mal langsam auf den Weg machen hin zu gewissen „Schwerkrafttöpfen“. Und als die Strahlung dann entkoppelt war, „fiel“ die Strahlung in diese „Mulden“, die die dunkle Materie gebildet hatte, hinein und konnte auf diese Art und Weise Galaxien bilden. Das erklärt auch, warum das Universum so leer ist. Denn indem die Strahlung in die dunkle Materie „hineingeflossen“ ist, haben sich große Gebiete im Universum „entvölkert“. 75 Prozent des Universums sind heute mehr oder weniger leer, und diese Leerräume sind umgeben von Galaxienhaufen und Galaxiensuperhaufen.
Also die Entwicklung des Universums hin zu Galaxien ist davon abhängig, dass es eine Form von Materie gibt, die nicht mit Strahlung wechselwirkt. Und die auch nicht so aufgebaut ist wie wir Menschen. Wir Menschen sind Kohlenstoffeinheiten und bestehen ja aus Protonen und Neutronen. Den größten Teil der Materie im Kosmos kann man aus der Hintergrundstrahlung ableiten, die zu dem Zeitpunkt entstanden ist, als die Atomkerne von Wasserstoff und Helium ihre Elektronen eingefangen haben. Die Hintergrundstrahlung erzählt uns von einer Materieform, die völlig abstrus, fast absurd ist. Sie wechselwirkt nicht mit der Strahlung, ist aber dafür verantwortlich, dass die leuchtende Materie, die mit Strahlung wechselwirkt, später die Galaxien bilden konnte, und zwar so schnell, wie wir das heute mit den modernen Teleskopen beobachten: dass nämlich nach relativ kurzer Zeit, nach wenigen Millionen Jahren schon große Galaxien da waren, viele Sterne da waren und der ganze Materiekreislauf entstand, der letztlich dazu geführt, dass wenigstens um einen Stern herum, den wir Sonne nennen, Planeten entstanden sind, dass sich auf einem Planeten eine Transformation von Materie vollzogen hat, dass aus toter Materie lebendige Materie wurde, dass aus dieser lebendigen Materie nicht nur Einzeller entstanden, sondern sogar Mehrzeller und dass in einem wirklich sehr langen, außerordentlich bemerkenswerten faszinierenden Schöpfungsprozess vor 7 Millionen Jahren auf einmal ein Geschöpf auftauchte, das nicht mehr auf allen vieren ging. Es ist ein kontinuierlicher Weg vom Anfang des Universums über die Entwicklungsphasen der Galaxien, die Entstehung von Elementen, die Entstehung von Sternen, von Planeten bis hin zur Entwicklung von Lebewesen auf der Erde.
Auf diese Weise ließe sich ein fast 14 Milliarden Jahre langes Epos erzählen.
Zum Abschluss noch mal ein anderes Zitat aus den „Bekenntnissen des Hochstaplers Felix Krull“, Professor Kuckuck sagt:
„Raum- und Zeitlosigkeit aber, das sei die Bestimmung des Nichts. Dieses sei ausdehnungslos in jedem Sinn, stehende Ewigkeit, und nur vorübergehend sei es unterbrochen worden durch das raumzeitliche Sein. Mehr Frist, um Äonen mehr sei dem Sein gegeben als dem Leben, aber einmal, mit Sicherheit, werde es enden. Und mit ebenso viel Sicherheit entspreche dem Ende ein Anfang.“
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* Zum Autor:
Prof. Dr. Harald Lesch lehrt theoretische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München; seine Forschungsschwerpunkte sind: Schwarze Löcher, Neutronensterne und kosmische Plasmaphysik. Lesch ist Fachgutachter für Astrophysik bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und Mitglied der astronomischen Gesellschaft. 2005 erhielt Lesch den Communicator-Preis der DFG.
Bücher:
- Kosmologie für Fußgänger. Goldmann.
- Big Bang. Zweiter Akt. Bertelsmann.
- Physik für die Westentasche. Piper.
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