Krawumm!

Wenn zwei Dinge miteinander zusammenstoßen, gehen sie dabei oft kaputt. Das finden wir ärgerlich - besonders dann, wenn es sich bei dem kaputten Ding um unser Auto handelt. Aber manchmal muss man etwas kaputt machen, damit aus seinen Bestandteilen etwas Neues entstehen kann. Das war das Ziel der Teilchenphysiker, die sich am 10. September 2008 in Genf versammelt hatten. In der Kontrollzentrale des Teilchenbeschleunigers LHC des europäischen Kernforschungszentrums CERN wartete man gespannt darauf, dass dieses gewaltige Gerät den Betrieb aufnahm. In einem 27 Kilometer langen, kreisrunden Tunnel, der sich unterirdisch von Genf bis nach Frankreich und wieder zurück erstreckt, sollten winzige Bestandteile von Atomkernen, die Protonen, auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Von außen sieht man nicht viel von den dramatischen Ereignissen, die sich da tief unter der Erde abspielen. Ein Teilchenpaket rast im Uhrzeigersinn durch die Tunnelröhre, ein anderes gegen den Uhrzeigersinn und jedes davon besteht aus knapp hundert Milliarden Protonen. Und dann, wenn die kleinen Teilchen an nähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht haben, gibt ein Wissenschaftler ein paar Kommandos in den Computer ein und sorgt dafür, dass die Teilchen nun nicht mehr aneinander vorbeifliegen, sondern frontal aufeinanderprallen! Jetzt kommt es zur Kollision: Die Protonen stoßen zusammen. Sie zerstören sich gegenseitig und setzen auf kleinstem Raum große Mengen an Energie frei, aus der eine Vielzahl neuer Teilchen entsteht. Messgeräte so groß wie mehrstöckige Häuser sind entlang des Tunnels aufgestellt, um möglichst viele dieser Kollisionen zu registrieren und analysieren. Irgendwann wird bei diesen Zusammenstößen auch ein Teilchen entstehen, das wir bisher noch nicht kennen. Vielleicht ist es das „Higgs-Teilchen", das die Wissenschaftler schon seit Jahren suchen. Vielleicht ist es aber auch etwas völlig Unbekanntes, etwas, das uns zwingt, uns komplett neue Gedanken über die Struktur des Universums zu machen. Doch was auch immer geschieht, eines ist sicher: Wenn im LHC nur genügend Kollisionen stattfinden, dann werden wir etwas Neues über unser Universum lernen!
Im Teilchenbeschleuniger haben wir die Kollisionen selbst verursacht und können sie kontrollieren. Unser Universum ist aber voll mit Objekten der verschiedensten Art, die ständig ganz von allein, ungewollt und unkontrolliert miteinander zusammenstoßen. Das mag für manche überraschend klingen. Wir stellen uns den Weltraum gerne als groß, leer und im Wesentlichen unveränderlich vor. Und was das „groß und leer" angeht, haben wir damit auch völlig recht. Das Universum ist groß und es ist im Wesentlichen leer. Nur ab und zu wird die Einöde des Kosmos durch den einen oder anderen Stern aufgelockert. Aber auch wenn das Universum so wahnsinnig groß und leer ist, ist es doch auf keinen Fall langweilig. Denn trotz der gewaltigen Menge an Nichts, trotz des überreichlich vorhandenen Platzes im Universum schaffen es die Planeten, Sterne und Galaxien doch irgendwie, immer wieder miteinander zusammenzustoßen. Manche dieser Kollisionen sind gewaltiger und katastrophaler, als wir sie uns jemals vorstellen können. Manche dieser Zusammenstöße finden von uns völlig unbemerkt statt. Manche Kollisionen zerstören Leben. Manche erzeugen es dagegen erst. Aber wie auch immer die Objekte in unserem Universum miteinander kollidieren: Es steckt jedes Mal eine spannende Geschichte dahinter, und wir haben aus den Kollisionen im All mindestens genauso viel über unser Universum gelernt wie aus den Zusammenstößen, die wir in den Teilchenbeschleunigern erzeugt haben.
Früher war der Himmel ein Ort, der von Ordnung und Perfektion geprägt war. Es war der Bereich der Götter und ihrer göttlichen Gesetze. Erst langsam schafften es die Forscher, das religiöse Denken abzulegen und das wahre Gesicht des Universums zu betrachten. Es ist für uns Menschen nicht sehr schmeichelhaft. Wir sind nicht das Zentrum der Welt, wir sind nicht die Krone der Schöpfung. Wir bewohnen einen kleinen Planeten, der gemeinsam mit sieben anderen Planeten einen kleinen Stern umkreist. Wir wissen, dass unser Planetensystem absolut nicht einzigartig ist. Auch viele andere Sterne werden von Planeten umkreist. Unsere Sonne nimmt ebenfalls keine besondere Stellung ein. Zusammen mit Hunderten Milliarden anderer Sterne ist sie Teil eines gewaltigen Systems, der Milchstraßen-Galaxie, in deren Randbereich sich Sonne und Erde befinden. Aber selbst die große Milchstraße mit all ihren Milliarden Sternen ist nur ein kleiner Teil des viel größeren Universums. Da draußen sind noch Hunderte Milliarden weiterer Galaxien, die alle ebenfalls wieder Hunderte Milliarden Sterne enthalten, von denen viele von Planeten umkreist werden.
Zumindest einer dieser Planeten hat genau die richtigen Bedingungen hervorgebracht, damit darauf Lebewesen entstehen konnten. Lebewesen, die mittlerweile klug genug geworden sind, um die Welt um sich herum nicht nur betrachten zu können, sondern auch die Fähigkeit besitzen, sich zu fragen, wie diese Welt und sie selbst entstanden sind. Lebewesen, die Antworten auf diese Fragen finden wollen und zu diesem Zweck nicht nur große Teilchenbeschleuniger gebaut, sondern auch die kosmischen Kollisionen erforscht haben. Diese Kollisionen können Katastrophen hervorrufen, deren Ausmaße für uns unvorstellbar sind. Im All stehen Katastrophen auf der Tagesordnung. Der Weltuntergang ist - aus kosmischer Sicht - etwas völlig Normales. Wir Menschen empfinden bei dem Gedanken daran nur deswegen Unbehagen, weil wir zufällig auf einer dieser Welten leben und es ungern sähen, wenn sie - und wir mit ihr - zerstört werden würde. Aber wir vergessen dabei oft, dass die gleichen Kollisionen, die uns Menschen, unsere Zivilisation oder gar unseren Planeten komplett auslöschen können, überhaupt erst dafür verantwortlich sind, dass es uns gibt. Wenn nicht ab und zu zwei Dinge ineinanderkrachen würden, wäre das Universum ein dunkler, lebloser und langweiliger Ort. Erst die Kollisionen machen es zu dem, was es heute ist. Kollisionen gibt es nur, wenn sich etwas bewegt, und Bewegung ist die Grundlage für ein dynamisches Universum. In einem Universum ohne Bewegung und Dynamik gäbe es zwar keine Kollisionen und keine durch sie ausgelösten Katastrophen. Es gäbe aber auch nichts, das durch solche Katastrophen zerstört werden könnte. So ein Universum wäre von Anfang an tot und leblos. Wir sollten ruhig ein wenig Respekt vor den kosmischen Kollisionen haben. Mit ihnen ist nicht zu spaßen. Wir dürfen aber auch nicht vergessen, dass es uns ohne sie gar nicht erst geben würde. Dieses Buch handelt nicht nur von der gewaltigen Zerstörungskraft der kosmischen Katastrophen, sondern ist auch ein Plädoyer für den Weltuntergang. Wir haben den Kollisionen viel zu verdanken.


Kapitel 1:

Im Licht der Kollisionen

Um zu verstehen, wie wichtig Kollisionen im All auch heute noch für uns sind, brauchen wir nur zum Himmel zu blicken - zur Sonne. Den Menschen war lange Zeit unklar, was die Sonne eigentlich ist und warum sie leuchtet. Eine Erklärung war auch nicht wirklich nötig. Jeder wusste, dass die Erde von den Göttern erschaffen wurde, damit die Menschen darauf leben können. Und zum Leben brauchen wir Licht und Wärme, also mussten die Götter eben eine passende Glühbirne an den Himmel hängen. Ob es nun die Mythen der alten Zivilisationen im Ägypten der Pharaonen oder dem antiken Griechenland waren oder die Schöpfungsgeschichte in der Bibel: Die Sonne war Lebensspenderin, extra geschaffen für die Menschen, um die Erde zu wärmen und zu erhellen. Zu Recht, immerhin galt die Erde als Zentrum des Universums. Natürlich gab es trotzdem immer schon Menschen, die spekulierten: Was war eigentlich mit den anderen Lichtpunkten am Himmel, die man nur in der Nacht sehen konnte, den Sternen? Die Sonne war ein großes helles Ding, die Sterne waren kleine helle Dinger und beide befanden sich am Himmel. Vielleicht waren die Sterne auch Sonnen, nur eben viel weiter weg?
Diese Spekulationen waren zwar spannend (vor allem weil man nie wusste, ob man nun wegen solcher Häresien mit der religiösen Obrigkeit in Konflikt geraten würde oder nicht), aber über die wahre Natur der Sonne lernte man dabei wenig. Was war sie denn nun? Ein Gott oder ein Symbol der Götter? Ein Teil der Maschinerie der Schöpfung, der keiner Erklärung bedurfte? Das wollten manche der ersten Wissenschaftler nicht akzeptieren. Sie wollten wissen, wie groß die Sonne ist, wie weit entfernt sie ist, woraus sie besteht und warum sie so hell und warm ist. Vor allem im antiken Griechenland begann man diese Fragen zu beantworten. Man fand heraus, dass die Sonne tatsächlich viel größer ist als die Erde, und Forscher wie Aristarch von Samos (der vor etwa 2300 Jahren lebte) fingen an, sich vorsichtig die Frage zu stellen, ob es dann nicht vielleicht logischer wäre, wenn die kleinere Erde um die größere Sonne kreisen würde statt umgekehrt. Man fand auch heraus, dass die Sonne ziemlich weit weg ist, auf jeden Fall weiter als all die Distanzen, die man vom irdischen Alltag gewohnt war. Aber warum sie nun leuchtet, blieb ein Rätsel. Vielleicht bestand sie aus spezieller Materie, die es nur im Himmel gibt und die eben leuchtet? Der Philosoph Anaxagoras (von dem im 3. Kapitel noch die Rede sein wird) probierte erstmals, die Prozesse am Himmel mit dem zu erklären, was man von der Erde kannte und meinte, die Sonne wäre ein glühender Stein. Aber genau genommen musste man zugeben: Man wusste es nicht. Und es schien auch keine Möglichkeit zu geben, es jemals herauszufinden. Daran änderte sich auch in den nächsten Jahrhunderten nichts.
Aber zumindest lernte man im Laufe der Zeit ein bisschen mehr über den Aufbau des Sonnensystems. Die Erde stellte sich doch nicht als das Zentrum des Universums heraus, sondern nur als einer von vielen Planeten, die die Sonne umkreisen. Man fand heraus, dass die Planeten und Sterne nicht auf Sphären aus Kristall montiert waren, die sich um die Erde drehen. Und wenn man auch nicht wusste, woher die Sonne ihre Energie nahm, stellte man zumindest fest, dass sie ein ganz normaler Himmelskörper war und keine Gottheit.
Im 18. und 19. Jahrhundert fand man sogar ein paar neue Planeten. Der erste dieser neuzeitlichen Planeten wurde 1781 von dem nach England ausgewanderten Deutschen Friedrich Wilhelm Herschel entdeckt. Herschel begann seine Karriere als Musiker und war anfangs nur Hobby-Astronom. Er verstand es allerdings wie kein anderer, Teleskope zu bauen und seine Geräte waren bald die besten und größten in ganz Großbritannien. Kein Wunder also, dass er mehr sah als die anderen und als erster Mensch der Neuzeit einen bisher unbekannten Planeten entdeckte. Der wurde Uranus genannt und Herschel weltberühmt. Er konnte jetzt die Musik sein lassen und sich ganz der Astronomie widmen. Er durchsuchte weiter den Himmel, allerdings nun nicht mehr auf der Suche nach neuen Planeten, sondern weil er herausfinden wollte, wie die Sterne am Himmel verteilt sind. Über die Planeten machte er sich trotzdem noch Gedanken. Er vertrat zum Beispiel die Meinung, dass jeder einzelne davon - so wie die Erde - von intelligenten Lebewesen bewohnt sei. Auch die Sonne! Mit dieser heute seltsam anmutenden Idee stand er aber nicht allein da. Schon im 15. Jahrhundert war der Philosoph Nikolaus von Kues überzeugt davon, dass die Sonne der Erde ähnlich war. In seinem Buch „De docta ignorantia" („Über die belehrte Unwissenheit") schreibt er im Jahr 1440:
„Betrachtet man nämlich den Körper der Sonne, dann besitzt er in der Mitte etwas, das der Erde gleicht und im Umkreis etwas Lichthaftes, das Feurige, und dazwischen eine Art Wasserwolke und klarere Luft; er besitzt dieselben Elemente wie die Erde."
Die Sonne sei also ein fester Körper, umgeben von leuchtenden Wolken. Die Erde übrigens auch; könnte man sie aus dem All beobachten, würde sie leuchten wie die Sonne, meinte Nikolaus von Kues. So würden sich auch die dunklen Flecken erklären, von denen man seit der Erfindung des Teleskops immer mehr auf der Sonnenoberfläche beobachten konnte: Es handelt sich einfach nur um Löcher in der leuchtenden Wolkendecke der Sonne, durch die man auf den kühlen Boden blickt1. Viele Astronomen waren dieser Meinung, unter ihnen auch Herschel (siehe Abbildung 1). Den Stand des Wissens der damaligen Zeit über die Sonne fasst ein Eintrag im damals gebräuchlichen „Physikalischen Wörterbuch" (1787-1795) von Johann Samuel Traugott Gehler aus Leipzig zusammen:
„Im Grunde kan man aus den Wirkungen der Sonnenstralen in die Erdkörper ganz und gar nicht auf die Beschaffenheit der Sonne selbst schließen. ( ... ) Andere stellen sich die Sonne als eine elektrische Kugel vor, die durch ihren schnellen Umlauf elektrisches Licht hervorbringe und durch das ganze Sonnensystem verbreite. ( ... ) Die Beobachtungen zeigen uns nur die Oberfläche der Sonne. Also nur von dieser wissen wir, daß sie leuchte. Daß das Innere dunkel sey, ist möglich, und wird aus der Erscheinung der Sonnenflecken sogar wahrscheinlich. Man hat daher wohl Grund, die Sonne für einen dunkeln Körper zu halten, den blos ein leuchtender Ueberzug umkleidet ( ... ). Ob aber nun dieser Ueberzug aus einem verdichteten Aether, aus Materie des Lichts, aus elektrischer Materie, oder, ( ... ) aus brennbarer durch Elektricität entzündeter Luft u. s. w. bestehe, und ob sich auf der dunklen Kugel unter der leuchtenden Hülle ein Wohnplatz für denkende und empfindende Wesen befinde, ist aus Beobachtungen, auch nur muthmaßlich, zu bestimmen unmöglich. Das Beste ist also wohl, aufrichtig zu gestehen, daß man von der Beschaffenheit, dem Stoffe und der Bewohnbarkeit des Sonnenkörpers gar nichts zu sagen wisse."
Das Licht der Sonne wird also vielleicht elektrisch erzeugt. Oder durch leuchtenden „Äther". Oder durch sonst irgendetwas. Und entweder ist sie bewohnt oder nicht. Im Endeffekt lief es darauf hinaus, dass man immer noch nicht schlauer war als die Leute im antiken Griechenland. Erst im 19. Jahrhundert ging es langsam voran. 1834 schlug der deutsche Physiker Hermann von Helmholtz als Erster einen halbwegs brauchbaren Mechanismus vor, aus dem die Sonne ihre Energie gewinnen konnte. Dass die Sonne viel größer und massereicher ist als die anderen Planeten, wusste man damals ja schon. Was, wenn die Sonne unter ihrer eigenen Gravitationskraft langsam in sich zusammenfallen würde? Sie würde dabei immer dichter und heißer werden und dieser Prozess könnte die Energie liefern, die sie dann durch Sonnenstrahlen wieder an die Erde und die anderen Planeten abgibt. Helmholtz berechnete, dass die Sonne auf diese Weise genug Energie erzeugen würde, um einige Millionen Jahre strahlen zu können. Das war gut, denn alle bisherigen Theorien hatten ein großes Problem: Die Sonne schien nicht alt genug zu sein.
Wenn auf der Sonne irgendeine Art von normalem Feuer brennen würde, dann würde auch ihre gewaltige Größe nicht genug Brennstoff liefern. Wäre die Sonne eine brennende Kugel aus Kohle, wäre sie schon nach wenigen tausend Jahren komplett verbrannt. Das wäre zwar okay, wenn man der Schöpfungsgeschichte der Bibel glaubt, nach der das Universum ja höchstens 6000 Jahre alt sein sollte. Aber im 19. Jahrhundert begann sich die Wissenschaft langsam von der Religion zu lösen. Geologen und Biologen wie Charles Darwin fanden heraus, dass die Welt und die Lebewesen von langsamen Prozessen gestaltet werden, die viel Zeit benötigen, um sich zu entfalten; deutlich mehr als ein paar tausend Jahre. Helmholtz' Berechnungen lieferten nun eine brauchbare Erklärung, wie die Sonne auch über solche langen Zeiträume Energie erzeugen konnte. Ein anderer Vorschlag kam von Julius Robert von Mayer. Der Arzt aus Heilbronn war der Erste, der erkannte, dass Energie nie vernichtet werden kann, sondern immer nur umgewandelt wird. 1848 veröffentlichte er eine auf diesem Energieerhaltungssatz basierende Idee, laut der kleine Asteroiden, die mit der Sonne kollidieren, die nötige Energie liefern könnten. Wenn ein Objekt sich schnell bewegt und dann durch eine Kollision plötzlich abgebremst wird, verschwindet seine Bewegungsenergie nicht einfach. Das kann man bei jedem Autounfall und den enormen Kräften sehen, die bei einem Zusammenstoß frei werden und das Auto komplett verformen. Auch die Bewegungsenergie der Asteroiden wird bei einer Kollision mit der Sonne nicht vernichtet, sondern beim Aufprall in Wärmeenergie umgewandelt. Ist das also die Erklärung, wieso Kollisionen für die Sonnenenergie verantwortlich sind? Nein, leider nicht. So ein Dauerbombardement von Asteroiden wäre zwar eine coole Energiequelle - aber wenn dem so wäre, dann müssten wir beobachten, wie die Masse der Sonne im Laufe der Zeit immer größer wird, und das tun wir nicht.
Der englische Astronom Richard Christopher Carrington (der nicht nur einer der erfolgreichsten Astronomen seiner Zeit war, sondern auch eine Bierbrauerei leitete) fand in den 1850er-Jahren heraus, dass verschiedene Teile der Sonne unterschiedlich schnell rotierten. Er beobachtete die Sonnenflecken, die fast immer auf der Sonne zu sehen waren. Dabei stellte er fest, dass sie unterschiedlich schnell rotierten. Ein Fleck am Äquator der Sonne braucht 24 Tage für eine komplette Rotation. Ein Fleck in der Nähe der Pole der Sonne rotiert dagegen wesentlich langsamer, er braucht etwa 31 Tage. Das konnte nur der Fall sein, wenn sie eine große Kugel aus Gas ist und kein Festkörper. Wenn Teile eines Festkörpers unterschiedlich schnell rotieren, fällt er auseinander; nur eine Kugel aus Gas kann sich so verhalten, wie die Sonne es tut. Die alte Idee von der erdähnlichen, bewohnten Sonne war nun also endgültig tot, Lebewesen konnten dort nicht existieren. Aber nicht nur die Idee der Sonnenbewohner musste man aufgeben. Ende des 19. Jahrhunderts konnte man sich auch von Helmholtz' Theorie der Sonnenenergie verabschieden. Da entdeckte nämlich der französische Physiker Antoine Henri Becquerel die Radioaktivität, und mit ihrer Hilfe war es möglich herauszufinden, wie alt die Erde war.
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