**Protonen: Winzige Riesen!** - Eine kurze Geschichte von fast allem

Okay, los geht's. Ähm, also, stell dir mal vor, du versuchst dir vorzustellen, wie winzig, winzig ein Proton ist. Egal wie sehr du dich anstrengst, du kriegst es einfach nicht hin, ja? Es ist so unglaublich klein.

Weißt du, Protonen sind ja diese winzigen Bausteine von Atomen, und Atome sind ja schon, klar, auch echt winzig. Aber Protonen... boah, die sind echt nochmal 'ne Nummer für sich. Stell dir 'nen Punkt auf 'nem kleinen "i" vor, so 'n winzigen Tintenklecks. In so einem Klecks, ja, da passen ungefähr 500 Milliarden Protonen rein. Krass, oder? Das sind mehr als die Anzahl Sekunden in, sagen wir mal, 15.000 Jahren. Also, ja, man kann schon sagen, Protonen sind verdammt klein.

So, und jetzt, stell dir vor, du könntest – was natürlich nicht geht – ein Proton auf ein Milliardstel seiner normalen Größe schrumpfen. Und dann packst du das in so einen winzigen Raum, damit es riesig wirkt. Und dann stopfst du da so ungefähr 30 Gramm Materie rein, in diesen super, super kleinen Raum. Tada! Fast fertig, um ein Universum zu erschaffen.

Klar, du willst wahrscheinlich eins, das sich ausdehnt, nicht wahr? Aber, ähm, wenn du so 'n bisschen auf altmodisch stehst, so 'n Standard-Urknall-Universum, dann brauchst du noch ein paar andere Zutaten. Eigentlich, ja, brauchst du alles was es gibt – von jetzt bis zum Urknall. Jedes einzelne Teilchen. Und das stopfst du in diesen winzigen, winzigen Punkt. Das ist die sogenannte Singularität.

Egal wie, mach dich bereit für 'nen ordentlichen Knall! Natürlich willst du dann in Sicherheit sein, um das Spektakel zu beobachten. Tja, Pech gehabt, denn es gibt keinen sicheren Ort, weil außerhalb der Singularität... da ist einfach nichts. Wenn das Universum sich dann ausdehnt, breitet es sich nicht einfach in 'nen größeren Raum aus. Der Raum, der entsteht, wird erst durch die Ausdehnung geschaffen.

Man könnte sich die Singularität wie so einen Keim vorstellen, der da in der unendlichen Dunkelheit schwebt. Aber das stimmt nicht. Da ist kein Raum, keine Dunkelheit. Die Singularität hat keine Umgebung, nix drumherum. Da ist kein Platz, den sie einnehmen könnte, kein Ort, wo sie existieren könnte. Man kann nicht mal fragen, wie lange sie schon da war – ob sie einfach so entstanden ist, wie 'ne gute Idee, oder ob sie schon immer da war und einfach auf den richtigen Moment gewartet hat. Die Zeit existiert nicht. Es gab keine Vergangenheit, aus der sie entstanden sein könnte.

Und dann, zack, unser Universum entsteht aus dem Nichts.

In einem unfassbar kurzen Moment, schneller und größer als man sich vorstellen kann, wird aus der Singularität ein riesiger Kosmos, mit unvorstellbarem Raum. Diese erste, dynamische Sekunde – und viele Kosmologen verbringen ihr ganzes Leben damit, diese Sekunde in noch kleinere Teile zu zerlegen – bringt die Gravitation und all die anderen Kräfte der Physik hervor. Innerhalb einer Minute hat das Universum einen Durchmesser von 16 Billionen Kilometern erreicht und dehnt sich immer noch rasend schnell aus. Dabei entsteht jede Menge Hitze, Temperaturen von 10 Millionen Grad Celsius, heiß genug, um Kernreaktionen auszulösen. Und das Ergebnis? Leichtere Elemente, hauptsächlich Wasserstoff und Helium, und 'ne kleine Menge Lithium (ungefähr ein Lithiumatom auf 10 Millionen andere Atome). Nach drei Minuten sind 98% der gesamten Materie, die es jemals geben wird, entstanden. Und wir haben ein Universum. Ein ziemlich fantastischer Ort, und auch noch wunderschön. Und das alles, so ungefähr, in der Zeit, die man für ein Sandwich braucht.

Wann genau dieser Moment stattgefunden hat, ist 'n bisschen umstritten. Ob das Universum vor 10 Milliarden Jahren entstanden ist, oder vor 20 Milliarden, oder irgendwas dazwischen, darüber haben sich Kosmologen lange gestritten. Im Moment scheint sich die Zahl von ungefähr 13,7 Milliarden Jahren durchzusetzen. Aber, wie wir später noch sehen werden, solche Sachen sind echt schwer zu berechnen. Eigentlich können wir nur sagen: Irgendwann in dieser unvorstellbaren Vergangenheit, in einem unbestimmten Moment, aus unbekannten Gründen, kam der Zeitpunkt, den die Wissenschaft t=0 nennt. Und damit begann die Reise.

Klar, es gibt 'ne Menge, was wir nicht wissen. Und 'ne Menge, was wir, äh, dachten zu wissen, aber dann doch nicht wussten. Selbst die Urknalltheorie ist ja noch nicht so alt. Das Konzept existiert zwar schon seit den 1920ern, als ein belgischer Priester und Gelehrter namens Georges Lemaître diese Hypothese aufstellte. Aber erst so in den 1960ern hat sich die Theorie in der Kosmologie-Szene wirklich durchgesetzt. Und zwar, als zwei junge Radioastronomen zufällig etwas Ungewöhnliches entdeckten.

Die hießen Arno Penzias und Robert Wilson. Die haben 1965 in den Bell Laboratories in Holmdel, New Jersey, mit einer großen Kommunikationsantenne gearbeitet. Aber die wurden ständig von einem Hintergrundrauschen gestört – so ein ständiges, zischendes Geräusch. Und das Geräusch war immer da, egal woher sie es empfingen. Es kam aus allen Richtungen am Himmel, Tag und Nacht, das ganze Jahr über. Ein ganzes Jahr lang haben die beiden versucht, das Rauschen zu finden und zu beseitigen. Die haben jedes elektrische System getestet. Die haben die Instrumente auseinandergenommen, die Leitungen überprüft, die Kabel gecheckt und den Staub aus den Steckdosen gepustet. Die sind in die Parabolantenne geklettert und haben jede Ritze und jede Schraube mit Klebeband abgedichtet. Dann sind sie wieder mit Besen und Lappen in die Antenne geklettert und haben vorsichtig alles weggeputzt, was sie später in einer Veröffentlichung als "weiße dielektrische Substanz" bezeichneten – also, ganz normal: Vogelkot. Aber all ihre Mühe hat nichts gebracht.

Was die beiden nicht wussten: Nur 50 Kilometer entfernt, an der Princeton University, suchte ein Team um Robert Dicke genau das, was die beiden beseitigen wollten. Die Forscher in Princeton untersuchten eine Hypothese, die in den 1940ern von dem in der Sowjetunion geborenen Astrophysiker George Gamow aufgestellt worden war: Wenn man tief ins All blickt, dann sollte man eine Art kosmische Hintergrundstrahlung finden, die vom Urknall übriggeblieben ist. Gamow schätzte, dass diese Strahlung, nachdem sie durch das ganze Universum gereist war, in Form von Mikrowellen auf der Erde ankommen würde. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit hatte er sogar vorgeschlagen, dass man das mit einem Gerät nachweisen könnte – nämlich der Bell-Antenne in Holmdel. Aber, ups, weder Penzias und Wilson, noch irgendjemand aus dem Team in Princeton, hatten Gamows Arbeit gelesen.

Das Rauschen, das Penzias und Wilson hörten, war genau das, was Gamow vorhergesagt hatte. Sie hatten den Rand des Universums gefunden – zumindest den sichtbaren Teil, der etwa 15 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Sie "sahen" die allerersten Photonen – das älteste Licht im Universum. Und wie Gamow vorhergesagt hatte, hatten Zeit und Entfernung die Photonen in Mikrowellen verwandelt. Alan Guth bringt es in seinem Buch "The Inflationary Universe" mit einem Vergleich auf den Punkt: Wenn man den Blick ins tiefe All damit vergleicht, vom 100. Stockwerk des Empire State Buildings in New York hinunterzuschauen (und der 100. Stock steht für die Gegenwart und die Straße für den Urknall), dann waren die am weitesten entfernten Galaxien, die man bis dahin entdeckt hatte, so um den 60. Stock. Und die am weitesten entfernten Objekte, die Quasare, so um den 20. Stock. Die Entdeckung von Penzias und Wilson brachte uns bis auf einen Zentimeter an den Boden.

Penzias und Wilson fanden immer noch keine Erklärung für das Rauschen. Also riefen sie Dicke in Princeton an, beschrieben ihm das Problem und hofften, dass er ihnen helfen könnte. Dicke wusste sofort, was die beiden gefunden hatten. "Tja, Jungs, da waren wir wohl zu langsam", sagte er zu seinen Kollegen, nachdem er aufgelegt hatte.

Kurz darauf veröffentlichte "The Astrophysical Journal" zwei Artikel: Einen von Penzias und Wilson, in dem sie ihre Erfahrung mit dem Rauschen beschrieben. Und einen von Dickes Team, in dem sie erklärten, was es damit auf sich hat. Obwohl Penzias und Wilson die kosmische Hintergrundstrahlung nicht gesucht hatten, und auch nicht wussten, was sie da gefunden hatten, und auch keine Arbeit veröffentlichten, in der sie die Strahlung beschrieben oder erklärten, bekamen sie 1978 den Nobelpreis für Physik. Das Team in Princeton bekam nur Mitgefühl. Laut Dennis Overbye in "Lonely Hearts of the Cosmos" war Penzias und Wilson die Bedeutung ihrer Entdeckung nicht klar, bis sie einen Artikel in der "New York Times" darüber lasen.

Ach ja, und übrigens, die Störung durch die kosmische Hintergrundstrahlung erleben wir alle. Wenn du deinen Fernseher auf 'nen Kanal stellst, der kein Signal empfängt, dann sind ungefähr 1% des Gekrizzels, das du siehst, Überreste des Urknalls. Das nächste Mal, wenn du dich über den schlechten Empfang ärgerst, kannst du dir immerhin den Anfang des Universums ansehen.

Obwohl alle vom Urknall sprechen, erinnern uns viele Bücher daran, dass man sich das nicht wie 'ne normale Explosion vorstellen darf, sondern als 'ne plötzliche Ausdehnung von unvorstellbarer Größe und Ausmaß. Ja, aber warum?

Manche glauben, dass die Singularität vielleicht Überreste eines früheren Universums waren, das zerstört wurde – unser Universum wäre dann nur eines in einer Reihe von Universen. Diese Universen entstehen und vergehen immer wieder, wie so 'ne Art Blase in 'ner Sauerstoffanlage. Andere führen den Urknall auf so 'n "falsches Vakuum" zurück, oder 'n "Skalarfeld", oder "Vakuumenergie" – irgendwas, das Instabilität in das Nicht-Existente gebracht hat. Irgendwas aus dem Nichts entstehen zu lassen, klingt zwar komisch, aber es war ja vorher nichts da und jetzt gibt's ein Universum. Also muss es ja irgendwie möglich sein. Vielleicht ist unser Universum ja nur ein Teil von vielen, vielen größeren, unterschiedlich großen Universen. Und Urknälle passieren überall und ständig. Oder vielleicht hatten Zeit und Raum vor dem Urknall 'ne ganz andere Form – 'ne Form, die wir uns nicht vorstellen können, weil sie uns so fremd ist. Und der Urknall war 'ne Art Übergangsstadium, von 'ner Form, die wir nicht verstehen, zu einer, die wir fast verstehen. "Das ist wie 'ne religiöse Frage", sagte der Kosmologe Andrei Linde von der Stanford University mal der "New York Times".

Bei der Urknalltheorie geht es nicht um die Explosion selbst, sondern um das, was danach passiert ist. Und zwar kurz danach. Wissenschaftler haben 'ne Menge Berechnungen angestellt und sich genau angesehen, was in Teilchenbeschleunigern passiert. Und die glauben, dass sie bis zu 10 hoch minus 43 Sekunden nach dem Urknall zurückblicken können. Da war das Universum noch so klein, dass man es mit 'nem Mikroskop hätte sehen können. Wir müssen uns jetzt nicht mit all diesen irren Zahlen verrückt machen, aber manchmal ist es vielleicht ganz gut, sich eine Zahl mal genauer anzusehen, damit man nicht vergisst, wie unfassbar das alles ist. Also, 10 hoch minus 43 Sekunden, das sind 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1 Sekunden. Oder ein Hunderttrillionstel einer Trillionstel Sekunde. Das meiste, was wir über das frühe Universum wissen, oder zu wissen glauben, verdanken wir der Inflationstheorie, die 1979 von einem jungen Teilchenphysiker aufgestellt wurde. Der hieß Alan Guth, war damals an der Stanford University und arbeitet jetzt am MIT. Er war 32 und hatte, wie er selbst zugab, vorher noch nicht viel geleistet. Und ohne diesen einen Vortrag über den Urknall hätte er die Theorie wahrscheinlich nie aufgestellt. Und der Vortragende war niemand anderes als Robert Dicke. Der Vortrag weckte Guths Interesse an der Kosmologie, und besonders an der Entstehung des Universums.

Und irgendwann hat er dann die Inflationstheorie aufgestellt. Die besagt, dass das Universum kurz nach dem Urknall 'ne dramatische Ausdehnung erlebt hat. Es dehnte sich immer weiter aus – es ist quasi mit sich selbst davongerannt. Alle 10 hoch minus 34 Sekunden verdoppelte sich seine Größe. Das Ganze dauerte vielleicht nur 10 hoch minus 30 Sekunden – also ein Millionstel einer Trillionstel Sekunde. Aber in dieser Zeit wurde aus etwas, das man in der Hand halten konnte, etwas, das mindestens 10 Trillionen Mal größer war. Die Inflationstheorie erklärt, warum unser Universum überhaupt so ist, wie es ist, mit all den Unregelmäßigkeiten und Drehungen. Ohne diese Unregelmäßigkeiten und Drehungen gäbe es keine Materieansammlungen, also keine Sterne, sondern nur Gas und ewige Dunkelheit.

Laut Guths Theorie entstand die Gravitation in dieser einen Hunderttrillionstel einer Trillionstel Sekunde. Und 'n winzigen Moment später kamen dann auch noch die elektromagnetische, die starke und die schwache Kernkraft dazu – die Bausteine der Physik. Und dann, zack, gab's 'ne ganze Menge Elementarteilchen – die Bausteine der Bausteine. Aus dem Nichts entstanden Photonen, Protonen, Elektronen, Neutronen und vieles mehr – laut der Standard-Urknalltheorie von jeder Sorte so um die 10 hoch 79 bis 10 hoch 89 Teilchen.

Diese riesigen Zahlen sind natürlich kaum vorstellbar. Wichtig ist nur, dass wir in einem winzigen Moment ein riesiges Universum hatten – laut der Theorie so riesig, dass es mindestens 100 Milliarden Lichtjahre im Durchmesser hat, aber vielleicht auch unendlich groß ist – und das alles war perfekt vorbereitet für die Entstehung von Sternen, Galaxien und anderen komplexen Systemen.

Aus unserer Sicht ist es fast unglaublich, wie perfekt das Ergebnis für uns ist. Wenn das Universum nur 'n bisschen anders wäre – wenn die Gravitation nur 'n bisschen stärker oder schwächer wäre, wenn die Ausdehnung nur 'n bisschen langsamer oder schneller wäre – dann gäbe es vielleicht nie stabile Elemente, aus denen du und ich gemacht sind, und der Boden unter unseren Füßen. Wenn die Gravitation nur 'n bisschen stärker wäre, würde das Universum in sich zusammenfallen, wie so 'n Zelt, das nicht richtig aufgebaut ist. Und es gäbe nicht den richtigen Wert für Größe, Dichte und Zusammensetzung. Aber wenn sie 'n bisschen schwächer wäre, würde sich überhaupt nichts zusammenfinden. Das Universum wäre leer, langweilig und leer.

Und das ist einer der Gründe, warum manche Experten glauben, dass es vielleicht viele andere Urknälle gab, vielleicht Billionen, verteilt über die unendliche Ewigkeit. Und dass wir in diesem speziellen Universum existieren, weil es eben für unsere Existenz geeignet ist. Wie Edward P. Tryon von der Columbia University sagte: "Meine Meinung ist, dass unser Universum einfach eines der Dinge ist, die ab und zu passieren." Und Guth fügt hinzu: "Auch wenn es unwahrscheinlich ist, dass ein Universum entsteht, hat ja niemand gezählt, wie oft es nicht klappt."

Martin Rees, der britische Astronom Royal, glaubt, dass es viele Universen gibt, vielleicht unendlich viele. Und jedes hat andere Eigenschaften, andere Kombinationen. Und wir leben halt in einem Universum, in dem die Kombination zufällig für uns passt. Er vergleicht das mit einem großen Bekleidungsgeschäft: "Wenn es 'ne große Auswahl an Kleidung gibt, ist es nicht schwer, etwas Passendes zu finden. Wenn es viele Universen gibt, und jedes wird von anderen Daten gesteuert, dann wird es auch ein Universum geben, in dem die Daten für Leben passen. Und zufällig sind wir in so einem Universum."

Rees glaubt, dass unser Universum von sechs Daten gesteuert wird. Und wenn sich nur einer dieser Werte minimal ändert, dann wäre alles anders. Zum Beispiel muss Wasserstoff in der Lage sein, sich auf präzise und stabile Weise in Helium zu verwandeln – genauer gesagt, muss er 0,7 Prozent seiner Masse in Energie umwandeln. Wenn der Wert nur 'n bisschen niedriger wäre – zum Beispiel 0,6 Prozent – dann würde die Umwandlung nicht stattfinden. Das Universum würde nur aus Wasserstoff bestehen. Wenn der Wert nur 'n bisschen höher wäre – 0,8 Prozent – dann würde die Verbindung unaufhörlich stattfinden. Und der Wasserstoff wäre schon längst aufgebraucht. In beiden Fällen – wenn sich diese eine Zahl ändert – würde das Universum, wie wir es kennen und brauchen, nicht existieren.

Bis jetzt hat alles gepasst. Auf lange Sicht könnte die Gravitation etwas stärker werden. Irgendwann könnte sie die Ausdehnung des Universums stoppen und es in sich zusammensacken lassen. Am Ende würde es zu einer neuen Singularität zusammenfallen und alles würde von vorne anfangen. Auf der anderen Seite könnte die Gravitation zu schwach werden. Dann würde sich das Universum immer weiter ausdehnen, bis alles so weit voneinander entfernt ist, dass keine Wechselwirkungen mehr stattfinden können. Das Universum wäre 'n leerer, kalter, lebloser Ort. Die dritte Möglichkeit ist, dass die Gravitation genau richtig ist – das, was die Kosmologen die "kritische Dichte" nennen. Sie hält das Universum im Gleichgewicht, so dass alles ewig weitergeht. Kosmologen nennen das manchmal flapsig den "Goldlöckchen-Effekt" – alles ist genau richtig. (Zur Info: Diese drei möglichen Universen werden als geschlossenes, offenes und flaches Universum bezeichnet.)

Irgendwann stellt sich ja die Frage: Was passiert, wenn man zum Rand des Universums kommt und seinen Kopf über den Vorhang streckt? Wo wäre dein Kopf dann (wenn er nicht mehr im Universum wäre)? Und was würde man auf der anderen Seite sehen? Die Antwort ist enttäuschend: Du wirst nie zum Rand des Universums kommen. Nicht nur, weil es lange dauert – obwohl das stimmt, es dauert wirklich lange. Sondern weil du nie zum Rand kommst, egal wie lange du in einer geraden Linie läufst. Du würdest irgendwann wieder am Ausgangspunkt ankommen (und wärst wahrscheinlich frustriert und würdest aufgeben). Das liegt daran, dass das Universum laut Einsteins Relativitätstheorie – auf die wir später noch eingehen werden – gekrümmt ist. Wie genau, können wir uns aber nicht so gut vorstellen. Fürs Erste reicht es zu wissen, dass wir nicht in einer riesigen, sich ausdehnenden Blase schweben. Genauer gesagt: Der Raum ist gekrümmt, und zwar so, dass er unendlich und endlich zugleich ist. Man kann nicht mal sagen, dass sich der Raum ausdehnt. Denn, wie der Nobelpreisträger und Physiker Steven Weinberg sagte: "Das Sonnensystem und die Galaxien dehnen sich nicht aus, und der Raum selbst dehnt sich auch nicht aus." Stattdessen bewegen sich die Galaxien mit hoher Geschwindigkeit voneinander weg. Das ist alles andere als intuitiv. Der Biologe J.B.S. Haldane hat mal gesagt: "Das Universum ist nicht nur seltsamer, als wir uns vorstellen, sondern seltsamer, als wir uns vorstellen können."

Um zu erklären, dass der Raum gekrümmt ist, wird oft ein Vergleich herangezogen: Man stellt sich vor, dass jemand aus einem flachen Universum, der noch nie 'ne Kugel gesehen hat, zur Erde kommt. Egal wie weit er auf der Oberfläche des Planeten geht, er wird nie an den Rand kommen. Und wahrscheinlich kommt er irgendwann wieder an seinem Ausgangspunkt an. Er wäre total verwirrt und könnte sich das nicht erklären. Tja, uns geht es mit dem Raum genauso. Nur sind wir noch viel verwirrter.

Genauso wenig wie du den Rand des Universums finden kannst, kannst du dich in die Mitte des Universums stellen und sagen: "Hier hat alles angefangen. Das ist das Zentrum von allem." Wir sind alle im Zentrum von allem. Eigentlich sind wir uns da nicht so sicher. Wir können das nicht mathematisch beweisen. Wissenschaftler vermuten nur, dass wir uns im Zentrum des Universums befinden – denk mal drüber nach, was das bedeuten würde. Aber das gilt für alle Beobachter, überall. Aber so richtig sicher sind wir uns nicht.

Soweit wir wissen, hat sich das Universum seit seiner Entstehung nur so weit ausgedehnt, wie das Licht in ein paar Milliarden Jahren reisen kann. Dieses sichtbare Universum – das, das wir kennen und über das wir sprechen – hat 'nen Durchmesser von 150 Trillionen Kilometern. Aber laut den meisten Theorien ist das gesamte Universum – das manchmal auch als Metauniversum bezeichnet wird – viel größer. Laut Rees ist die Anzahl der Lichtjahre bis zum Rand dieses größeren, unsichtbaren Universums "nicht mit zehn Nullen, nicht mit hundert Nullen, sondern mit Millionen von Nullen" auszudrücken. Kurz gesagt: Der Raum ist größer, als du dir vorstellen kannst. Und du musst dir nicht vorstellen, dass es außerhalb des Raums noch mehr Raum gibt.

Lange Zeit hatte die Urknalltheorie ein großes Problem, das viele nicht verstanden haben – nämlich, dass sie nicht erklären konnte, wie wir überhaupt entstanden sind. Obwohl 98 Prozent der gesamten Materie vom Urknall erzeugt wurde, bestand diese Materie ausschließlich aus leichten Gasen: Helium, Wasserstoff und Lithium, die wir schon erwähnt haben. Aber die schweren Elemente, die für unsere Existenz so wichtig sind – Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und all die anderen – sind nicht beim Urknall entstanden. Aber – und das ist der Punkt – um diese schweren Elemente herzustellen, braucht man die Hitze und Energie, die beim Urknall freigesetzt wurde. Aber der Urknall hat nur einmal stattgefunden und bei diesem einen Mal wurden keine schweren Elemente erzeugt. Also, woher kommen die? Interessanterweise wurde die Antwort auf diese Frage von einem Kosmologen gefunden, der die Urknalltheorie überhaupt nicht mochte. Und er hat den Begriff Urknall erfunden, um sich darüber lustig zu machen.

Aber dazu kommen wir gleich. Bevor wir darüber reden, wie wir entstanden sind, sollten wir uns vielleicht kurz überlegen, was "hier" überhaupt bedeutet. Das ist vielleicht ganz sinnvoll.