Kapitel 8: Bevor es Atome gab

Nacht 84: Die Übung

Der Alarm an Tag 84 war geplant, aber die genaue Minute kannte die Besatzung nicht. Der Boden hatte ihnen gesagt, dass irgendwann am Nachmittag eine Notfallübung stattfinden würde. Das war alles. Noor war mitten in einer Einheit auf dem Trainingsfahrrad, als der Ton durch die Station schallte, laut und gleichmäßig, gefolgt von der ruhigen Stimme von Tomás, der verkündete, dass dies eine Übung sei.

Alle wussten, was zu tun war, denn sie hatten es am Boden viele Male geübt. Noor klickte ihre Schuhe aus dem Fahrrad, stieß sich zu der Stelle ab, an der die Notfallmasken aufbewahrt wurden, und zog sich eine über das Gesicht. Ade war schon da. Tomás las die ersten Schritte des Notfallablaufs vor, und jeder antwortete mit seinem Teil. Sie prüften die Anzeigen, schlossen bestimmte Luken in der richtigen Reihenfolge und begaben sich an die Plätze, an die sie in einem echten Notfall gehen würden, in die Nähe des Raumfahrzeugs, das sie nach Hause bringen konnte.

Der Boden beobachtete alles und stoppte die Zeit. Nach etwa einer Stunde war die Übung zu Ende, und die Besatzung besprach kurz mit dem Boden, was gut gelaufen war und was schneller gehen könnte. Eine Luke hatte sich langsamer schließen lassen, als sie sollte. Eine Seite der Checkliste war in der falschen Reihenfolge gewesen. Diese kleinen Dinge wurden aufgeschrieben, damit man sie beheben konnte, bevor sie jemals eine Rolle spielten.

Noor hatte Übungen immer für einen der gewöhnlichsten Teile jeder Arbeit gehalten. Auch Menschen in Büros, Fabriken, Schulen und Krankenhäusern auf der Erde üben, das Gebäude zu verlassen, wenn ein Alarm ertönt. Sie gehen die Treppe hinunter, sammeln sich auf einem Parkplatz oder einem Hof und warten, während jemand sie zählt. Meistens fühlt sich das ein wenig albern an. Aber der Sinn einer Übung ist es, die richtigen Schritte so vertraut zu machen, dass an einem wirklich schlimmen Tag niemand über sie nachdenken muss.

Die Übung war ein Erfolg, aber sie hielt Noor in dieser Nacht wach. Es war nicht direkt Angst. Es war das Gefühl, dass sich ihr Körper auf etwas vorbereitet hatte, das nie kam. Sie lag in ihrem Schlafsack, der an der Wand ihrer kleinen Kabine befestigt war, und lauschte dem Summen der Lüfter. Ihre Gedanken gingen immer wieder Schritt für Schritt den Ablauf zurück. Und dann, weil ihre Gedanken gern zurückgingen, gingen sie noch weiter zurück, über die Übung hinaus, über den Tag hinaus, bis zu den Fragen, über die sie in diesen Nächten nachgedacht hatte.

Sami hatte früher am Abend geschrieben. Er hatte eine Frage gestellt, die sie nicht schnell beantworten konnte: „Wenn man immer weiter in der Zeit zurückgeht, vor die ersten Minuten, was findet man dann? Und gibt es einen Punkt, an dem niemand mehr etwas weiß?“ Es war eine gute Frage für eine schlaflose Nacht. Die ehrliche Antwort hat zwei Teile. Wenn wir zurückgehen, finden wir eine Welt, die seltsamer und einfacher ist als jede, die wir kennen. Und ja, es gibt einen Punkt, an dem niemand mehr etwas weiß.

Noch weiter zurück

In der vorigen Nacht haben wir die ersten Minuten gesehen, als sich Protonen und Neutronen zu Helium verbanden. Davor war das Universum noch heißer, und Protonen und Neutronen bewegten sich frei. Heute Nacht gehen wir noch einmal weiter zurück. Je weiter wir zurückgehen, desto heißer und dichter wird alles. Und während die Temperatur steigt, beginnen die Dinge, die wir normalerweise für fest und dauerhaft halten, auseinanderzufallen.

Man kann es sich so vorstellen. Denk an Eis in einem Topf. Wenn du es erhitzt, wird es zu Wasser. Erhitzt du es weiter, wird das Wasser zu Dampf. Dieselben Moleküle sind da, aber sie verhalten sich bei jeder Temperatur anders. Stell dir nun vor, du erhitzt den Dampf weit über alles hinaus, was in einer Küche möglich ist. Die Wassermoleküle zerfallen in Atome von Wasserstoff und Sauerstoff. Erhitzt du sie weiter, werden die Elektronen von den Atomen weggerissen. Erhitzt du sie noch weiter, zerfallen sogar die Kerne in Protonen und Neutronen. Das frühe Universum durchlief all diese Schritte in umgekehrter Richtung, von der heißesten Stufe zur kühlsten, während es sich ausdehnte und abkühlte.

Wenn wir den Film also von den ersten Minuten aus rückwärts laufen lassen, kommen wir in eine Zeit, in der das Universum eine dicke Suppe aus freien Protonen, Neutronen, Elektronen und Licht war, die sich alle mit ungeheurer Geschwindigkeit bewegten. Noch früher kommen wir in eine Zeit, in der es nicht einmal Protonen und Neutronen gab. Sie bestehen aus noch kleineren Teilen, den Quarks. Ein Proton ist eine kleine Gruppe von drei Quarks, die von einer so starken Kraft zusammengehalten werden, dass man Quarks im heutigen Universum nie allein findet.

Elektronen sind anders. Soweit es sich bisher messen ließ, besteht ein Elektron überhaupt nicht aus kleineren Teilen. Es scheint eines der wirklich grundlegenden Teilchen der Natur zu sein, wie die Quarks selbst. Die Liste der kleinsten Bausteine gewöhnlicher Materie ist also überraschend kurz: zwei Arten von Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, und das Elektron.

Als das Universum äußerst jung war, war es so heiß, dass die Quarks nicht in Protonen und Neutronen eingeschlossen waren. Sie bewegten sich frei in einer Art heißer, dichter Mischung, zusammen mit den Teilchen, die die starke Kraft zwischen ihnen übertragen. Dann, als das Universum etwa eine millionstel Sekunde alt war, hatte es sich genug abgekühlt, dass sich die Quarks zu Dreiergruppen zusammenfinden konnten. Protonen und Neutronen entstanden. Von da an waren sie die Bausteine, die die ersten Minuten verwenden würden.

Eine millionstel Sekunde klingt nach überhaupt nichts. Sie ist weit kürzer als ein Wimpernschlag. Aber im jungen Universum geschah in so kurzen Zeiten sehr viel, weil alles so schnell ablief. Physiker sagen manchmal, das frühe Universum solle man nicht in gewöhnlichen Sekunden messen, sondern daran, wie weit es abgekühlt war. Jede Stufe nach unten auf der Temperaturskala brachte eine neue Art von Ordnung, während sich die Suppe langsam in die Bausteine unserer Welt verwandelte.

Kleine Tropfen früher Hitze

Wie kann man eine so kurze und so heiße Zeit überhaupt erforschen? Ein Teil der Antwort ist, dass Wissenschaftler winzige Tropfen davon auf der Erde nachbilden können. In großen Maschinen, den Teilchenbeschleunigern, werden die Kerne schwerer Atome auf fast Lichtgeschwindigkeit gebracht und dann zum Zusammenstoß gebracht. Für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde, in einem Raum, der weit kleiner ist als ein Staubkorn, erzeugt der Zusammenstoß Temperaturen wie die des sehr jungen Universums.

In diesen winzigen Tropfen schmelzen die Protonen und Neutronen der zusammenstoßenden Atome für einen Moment in ihre Quarks, und die heiße Mischung entsteht. Dann kühlt sie fast sofort ab und verwandelt sich zurück in gewöhnliche Teilchen, die in die Detektoren rund um den Zusammenstoß fliegen. Indem sie untersuchen, was herauskommt, können Wissenschaftler erfahren, wie sich diese heiße Mischung verhält. So wird ein arbeitendes Labor auf der Erde zu einem kleinen Fenster in die erste millionstel Sekunde.

Diese Experimente haben Überraschungen gebracht. Viele Physiker erwarteten, dass sich die heiße Mischung aus Quarks wie ein dünnes Gas verhalten würde. Stattdessen verhält sie sich eher wie eine Flüssigkeit, und zwar eine, die fast ohne jede Zähigkeit fließt, glatter als Wasser oder jede andere Flüssigkeit auf der Erde. Das verrät uns etwas über das junge Universum, das niemand durch bloßes Nachdenken hätte erraten können. Es erinnert gut daran, warum Experimente wichtig sind.

Diese Maschinen gehören zu den größten Instrumenten, die Menschen je gebaut haben. Tausende Ingenieure, Techniker und Wissenschaftler arbeiten daran, in Schichten, Tag und Nacht. Manche prüfen Kabel. Manche schreiben die Computerprogramme, die die Messungen sortieren. Manche beobachten die ganze Nacht über Bildschirme und holen Hilfe, wenn etwas falsch aussieht. Wie die Station werden diese Maschinen von vielen Menschen betrieben, die gewöhnliche Arbeit sorgfältig erledigen, und zusammen reichen diese Arbeiten bis an den Anfang der Zeit zurück.

Es ist wichtig, klar zu sagen, was das bedeutet und was nicht. Die Maschinen erschaffen kein neues Universum, und in diesem Sinn sind sie nicht gefährlich. Sie erzeugen für einen winzigen Moment dieselbe Temperatur wie im frühen Universum, in einem sehr kleinen Raum. Weil die Gesetze der Physik hier und dort dieselben sind, verrät uns das, was in diesem kleinen Raum geschieht, wie sich das frühe Universum bei dieser Temperatur verhielt. Je weiter wir zurückzugehen versuchen, desto höher müsste die Temperatur sein, und irgendwann wird sie weit höher, als irgendeine Maschine sie je erreichen könnte.

Bis zurück in die Zeit, als Protonen und Neutronen entstanden, und sogar etwas früher, sind sich Wissenschaftler über die Geschichte im Großen und Ganzen ziemlich sicher, weil sich die Temperaturen jener Zeiten auf diese Weise prüfen lassen. Davor wird die Geschichte immer unsicherer. Physiker haben noch gute Ideen über frühere Zeiten, und sie verwenden dieselben Gesetze, so weit sich diese Gesetze prüfen lassen. Aber je näher sie dem allerersten Anfang kommen, desto weniger fest wird der Boden.

Die Menschen, die die Spiegelteilchen fanden

Einer der seltsamsten Teile der Geschichte dieser Nacht ist die Antimaterie. Das klingt nach etwas aus einem Science-Fiction-Film, aber es ist wirklich, und ihre Entdeckung ist ein gutes Beispiel dafür, wie Wissenschaft manchmal funktioniert. Um 1930 arbeitete ein Physiker an den Gleichungen, die beschreiben, wie sich Elektronen verhalten, wenn sie sich sehr schnell bewegen. Die Gleichungen schienen etwas Unerwartetes zu sagen. Sie schienen einen Zwilling des Elektrons zu erlauben, mit demselben Gewicht, aber der entgegengesetzten elektrischen Ladung.

Zuerst wussten viele Physiker nicht, was sie davon halten sollten. Vielleicht war es nur eine seltsame Eigenheit der Mathematik. Dann, im Jahr 1932, sah ein junger Forscher, der die Spuren von Teilchen fotografierte, die aus dem All ankamen, eine Spur, die sich in die falsche Richtung krümmte. Es war ein Teilchen wie ein Elektron, aber mit positiver Ladung. Der Zwilling war wirklich. Man nannte ihn Positron. Später fanden Wissenschaftler heraus, dass jede Teilchenart einen solchen Spiegelzwilling hat. Zusammen nennt man diese Zwillinge Antimaterie.

Antimaterie ist keine Geschichte nur für Physiker. Heute wird sie in Laboren hergestellt, und manche Krankenhäuser nutzen sie an jedem Arbeitstag. Bei einer bestimmten Art medizinischer Untersuchung erhält ein Patient eine kleine, sorgfältig bemessene Menge eines besonderen Stoffes, der im Körper Positronen abgibt. Wenn ein Positron auf ein gewöhnliches Elektron trifft, verschwinden beide und verwandeln sich in einen kleinen Energieblitz, und das Gerät um den Patienten herum erfasst diesen Blitz. Ärzte nutzen solche Untersuchungen, um zu sehen, wie Teile des Körpers arbeiten. Irgendwo bereitet heute Nacht vielleicht eine Pflegekraft oder ein Techniker in der Nachtschicht genau eine solche Untersuchung vor.

Dieses Verschwinden ist der Schlüssel zum Rätsel dieser Nacht. Wenn ein Teilchen auf seinen Antimaterie-Zwilling trifft, verschwinden beide und hinterlassen nur Energie. Und im heißen jungen Universum wurden ständig Teilchen und ihre Zwillinge aus Energie erzeugt und wieder vernichtet. Hätte es genau gleich viel Materie und Antimaterie gegeben, dann hätten sie sich beim Abkühlen des Universums getroffen und gegenseitig vollständig vernichtet. Außer Licht wäre nichts übrig geblieben. Es gäbe keine Sterne, keine Planeten und keine Menschen.

Aber etwas blieb übrig. Aus Gründen, die wir noch nicht verstehen, gab es einen sehr kleinen Überschuss an Materie, ungefähr ein zusätzliches Teilchen auf eine Milliarde Paare. Als die große Begegnung vorüber war, hatten sich die Paare in Licht verwandelt, und der kleine Überschuss blieb zurück. Alles, was wir heute sehen, jeder Stern und jede Galaxie, besteht aus diesem winzigen Rest. Warum das Universum ein wenig mehr Materie als Antimaterie erzeugte, ist eine der großen offenen Fragen der Physik. Wissenschaftler suchen nach einer Antwort, aber noch weiß es niemand.

Wo die heutige Physik aufhört

Nun kommen wir zum zweiten Teil von Samis Frage. Gibt es einen Punkt, an dem niemand mehr etwas weiß? Ja, den gibt es. Wenn wir den Film weiter rückwärts laufen lassen, über die erste millionstel Sekunde hinaus, wird das Universum heißer und dichter, ohne dass wir eine Grenze kennen. Irgendwann wird es so heiß und so dicht, dass unsere beiden besten Beschreibungen der Natur nicht mehr zusammenpassen.

Die erste dieser Beschreibungen ist Einsteins Theorie der Schwerkraft, die erklärt, wie sich große Dinge wie Planeten, Sterne und Galaxien bewegen und wie sich der Raum selbst dehnen kann. Die zweite ist die Theorie, die die Welt der sehr kleinen Dinge erklärt, etwa der Atome und Quarks, und die Physiker Quantentheorie nennen. Jede der beiden Theorien funktioniert in ihrem eigenen Bereich außerordentlich gut. Jede ist viele Male geprüft worden. Aber im allerersten Moment, als das ganze Universum zugleich äußerst klein in seinen Abständen und äußerst schwer an Energie war, bräuchte man beide Theorien gleichzeitig. Und bisher hat niemand einen Weg gefunden, sie zu einer Theorie zu vereinen, die dort funktioniert.

Man kann sich das Problem so vorstellen. Stell dir zwei sehr gute Karten vor. Die eine zeigt das ganze Land mit seinen Bergen und Flüssen, hat aber keine Einzelheiten, die kleiner sind als eine Stadt. Die andere zeigt eine einzige Straße, Haus für Haus, aber nichts darüber hinaus. Jede Karte ist für ihren eigenen Zweck hervorragend. Aber wenn du deinen Weg durch einen Ort finden musst, der zugleich riesig und voller winziger Einzelheiten ist, reicht keine der beiden Karten allein, und niemand hat bisher die Karte gezeichnet, die beide verbindet.

Im allerersten Moment hört die heutige Physik also auf zu funktionieren. Dieser Moment ist so kurz, dass es kein gewöhnliches Wort dafür gibt. Er ist weit kürzer als eine millionstel Sekunde, kürzer als alles, was irgendeine Uhr je messen könnte. Was damals geschah und ob „damals“ überhaupt eine Bedeutung hat, ist nicht bekannt. Manche Wissenschaftler arbeiten an neuen Theorien, die ihn eines Tages beschreiben könnten. Einige ihrer Ideen sind interessant, aber keine von ihnen ist bisher durch Belege bestätigt worden.

Es ist wichtig, das deutlich zu sagen, denn es wird oft falsch gesagt. Die Theorie des Urknalls beschreibt nicht den allerersten Moment. Sie beschreibt, was danach geschah: wie sich ein heißes, dichtes junges Universum ausdehnte und abkühlte, seine ersten Elemente erzeugte, sein ältestes Licht freigab und später Sterne und Galaxien bildete. Dieser Teil der Geschichte wird von vielen Arten von Belegen gestützt. Der erste Moment selbst und jede Frage danach, was vor ihm war, liegen noch jenseits dessen, was wir wissen.

Dafür muss man sich nicht schämen. Eine gute Karte sagt ehrlich, wo sie endet. Alte Seekarten ließen manchmal leere Flächen an den Stellen, die noch nicht erkundet waren. Diese leeren Flächen waren kein Versagen. Sie waren Einladungen. Ebenso ist die leere Fläche ganz am Anfang des Universums einer der spannendsten Orte der ganzen Wissenschaft, und viele Menschen arbeiten geduldig daran, ein kleines Stück davon auszufüllen.

Eine Nachricht an Sami

Irgendwo über einem dunklen Ozean spürte Noor endlich, wie der Schlaf kam. Bevor es so weit war, griff sie nach ihrem Tablet und schrieb an Sami, der inzwischen in seiner Pause sein würde: „Du hast gefragt, ob es einen Punkt gibt, an dem niemand mehr etwas weiß. Den gibt es. Je weiter du vor die erste millionstel Sekunde zurückgehst, desto unsicherer wird alles, und im allerersten Moment weiß es überhaupt niemand. Nicht einmal die besten Wissenschaftler. Es ist in Ordnung, etwas nicht zu wissen.“

Sami antwortete etwas später. Er schrieb, sein Chef wisse auch nicht alles, tue aber so, und die Wissenschaftler seien ihm lieber. Noor lächelte in die Dunkelheit ihrer Kabine. Dann schaltete sie das Tablet aus und ließ sich vom Summen der Lüfter in den Schlaf tragen.

In manchen Nächten nach der Arbeit läuft vielleicht auch dein Kopf weiter und geht einen Tag noch einmal durch, der schon vorbei ist. In solchen Nächten liegt ein seltsamer Trost darin, sich daran zu erinnern, dass sogar das Universum einen Anfang hat, den niemand ganz versteht. Nicht jede Frage braucht vor dem Morgen eine Antwort. Manche Fragen kann man behutsam ein Leben lang mit sich tragen, und sie bleiben doch gute Gesellschaft.

Verbreitete Missverständnisse

Viele Menschen glauben, Wissenschaftler wüssten genau, was zum „Zeitpunkt null“ geschah, im allerersten Augenblick des Universums. Das tun sie nicht. Wie wir heute Nacht gesehen haben, hören unsere besten Theorien im allerersten Moment auf zu funktionieren, und noch niemand hat eine Theorie gefunden, die dort funktioniert. Wissenschaftler können mit Zuversicht beschreiben, was ab einem winzigen Bruchteil einer Sekunde geschah, und sie werden umso zuversichtlicher, je später der Zeitpunkt ist. Aber der erste Augenblick selbst ist noch unbekannt, und ehrliche Wissenschaftler sagen das auch.

Viele Menschen glauben auch, Antimaterie sei nur eine Erfindung der Science-Fiction. Sie ist wirklich. Wissenschaftler stellen kleine Mengen davon in Laboren her, Antimaterie-Teilchen kommen auf natürliche Weise aus dem All, und manche Untersuchungen im Krankenhaus nutzen sie jeden Tag. Richtig ist, dass Antimaterie im heutigen Universum sehr selten ist, weil fast alles davon vor langer Zeit auf Materie traf und verschwand. Deshalb begegnen wir Antimaterie im Alltag nie, und deshalb ist der kleine Überschuss an Materie ein so wichtiges Rätsel.

Und schließlich stellen sich viele Menschen vor, „das Universum war sehr klein“ bedeute, dass es ein kleines Objekt war, wie eine glühende Kugel, die in einem größeren, leeren Raum saß. Das meinen Wissenschaftler nicht. Es gab keinen äußeren Raum, in dem das Universum hätte sitzen können. Wenn Wissenschaftler sagen, das Universum sei klein gewesen, meinen sie, dass die Abstände zwischen allen Dingen darin viel kürzer waren als heute und dass alles sehr dicht gepackt und sehr heiß war. Das Universum dehnte sich nicht in den Raum hinein aus. Der Raum selbst dehnte sich. In der nächsten Nacht gehen wir wieder vorwärts, in eine stille und dunkle Zeit nach dem ältesten Licht, als das Universum auf seine ersten Sterne wartete.