No idea - was wir noch nicht wissen

1.

Woraus besteht das Universum?

In dem Sie lernen, dass Sie ziemlich schräg und eigenartig sind

Wenn Sie ein Mensch sind (und wir wollen zunächst einmal von dieser Annahme ausgehen), dann sind Sie wahrscheinlich, ob Sie es wollen oder nicht, ein wenig neugierig auf die Welt um Sie herum. Das ist ein Teil Ihres Menschseins und ein Teil Ihres Entschlusses, dieses Buch in die Hand zu nehmen.

Das ist kein neues Empfinden. Seit Anbeginn der Zeit versuchen die Menschen, Antworten auf einige grundlegende und sehr vernünftige Fragen über die Welt um uns herum zu finden:

Woraus ist das Universum gemacht?

Sind große Steine aus kleineren Steinen gemacht?

Warum können wir keine Steine essen?

Wie ist es, eine Fledermaus zu sein?1

Die erste Frage: »Woraus ist das Universum gemacht?«, ist eine ziemlich große Frage. Sie ist nicht groß wegen des Themas (viel größer als das Universum geht es nicht), sondern weil die Frage, woraus das Universum gemacht ist, jeden angeht. Es ist so, als fragte man, woraus Ihr Haus und alles darin (einschließlich Ihrer Person) gemacht ist. Man braucht kein tieferes Verständnis der Mathematik oder Physik, um zu begreifen, dass diese Frage uns alle betrifft.

Nehmen wir an, Sie wären der erste Mensch, der versucht, die Frage zu beantworten: »Woraus ist das Universum gemacht?« Ein guter Ausgangspunkt wäre der Versuch, es zunächst einmal mit der einfachsten, der naivsten Idee zu versuchen. Beispielsweise könnten Sie sagen, dass das Universum aus den Dingen gemacht ist, die sichtbar sind. Sie können die Frage also beantworten, indem Sie eine Liste aufstellen - eine Liste wie folgende:

Diese Methode wirft aber erhebliche Probleme auf. Erstens: Ihre Liste wird sehr, sehr lang werden. Sie muss jeden Stein auf jedem Planeten im Universum einschließen, und sie muss auch Ihre Liste selbst enthalten (denn die ist ein Teil des Universums). Wenn Sie wollen, dass die Liste neben den Objekten auch die in ihnen befindlichen Dinge umfasst, könnte sie unendlich lang sein. Halten Sie es hingegen nicht für notwendig, dass die Liste auch die Teile innerhalb der Objekte erfasst, könnte Ihre Liste mit einem einzigen Element auskommen: »dem Universum«. Wie gesagt, diese Methode wirft große Probleme auf, egal wie Sie sie angehen.

Aber noch wichtiger: Eine Liste aufzustellen, ist keine echte Antwort auf die Frage. Eine zufriedenstellende Antwort würde nicht nur die Komplexität erfassen, von der wir umgeben sind - die fast unendliche stoffliche Vielfalt, die wir in unserem Umfeld erblicken -, sie würde sie für uns auch vereinfachen. Genau darin liegt die phänomenale Leistung des Periodensystems der Elemente (Sie wissen schon, die Tabelle mit Sauerstoff, Eisen, Kohlenstoff und so fort). Sie beschreibt jedes Objekt, das Menschen jemals gesehen, berührt, geschmeckt2 oder als Wurfgeschoss benutzt haben - und all das mithilfe von etwa hundert grundlegenden Bausteinen. Es zeigt, dass die Dinge des Universums nach den gleichen Prinzipien organisiert sind wie Legosteine. Mit dem gleichen Satz von winzigen Plastikbausteinen kann man Spielzeugdinosaurier, Flugzeuge und Piraten zusammensetzen - oder seine eigene Hybridschöpfung hervorbringen, einen fliegenden Dinopiraten.

Genau wie mit Legosteinen lassen sich mit einigen fundamentalen Bausteinen (den Elementen) viele Dinge in unserem Universum konstruieren: Sterne, Steine, Staub, Eiscreme, Lamas. Dank dieses Organisationsprinzips - komplexe Objekte sind lediglich bestimmte Zusammenstellungen einfacher Objekte - können wir ein tieferes Verständnis gewinnen, indem wir diese einfachen Objekte entdecken.

Aber warum hält sich das Universum an das Legoprinzip? Unserer Kenntnis nach gibt es keinen Grund, warum eine solche Vereinfachung auch nur möglich sein sollte. Soweit die ersten Höhlenwissenschaftler wussten, konnte die Welt nicht auf allzu viele verschiedene Arten funktionieren. Alles, worauf diese Höhlenwissenschaftler, diese Ooks und Groogs, ihre Ideen stützen konnten, war ihre Erfahrung, und die entsprach vielen verschiedenen Annahmen über die Beschaffenheit des Universums.

Es hätte ja sein können, dass die Zahl der Stoffarten nahezu unbegrenzt gewesen wäre. In einem solchen Universum hätten Steine aus elementaren Steinteilchen bestanden, Luft aus elementaren Luftteilchen. Elefanten wären aus elementaren Elefantenteilchen gemacht gewesen (nennen wir sie Dumbotronen). In einem solchen hypothetischen Universum hätte das Verzeichnis der Elemente, das Periodensystem, eine fast unendliche Zahl von Einträgen.

Oder noch bizarrer, wir hätten in einem Universum leben können, wo die Dinge gar nicht aus winzigen Objekten zusammengesetzt wären. In einem solchen Universum wären Steine aus stetigem Steinstoff, der sich unendlich in immer kleinere und kleinere Teile schneiden ließe, und das Messer, mit dem Sie schnitten, müsste unendlich scharf sein.

Beide Annahmen entsprachen den Daten, welche die Professoren Ook und Groog in ihren berühmten Steinzertrümmerungsexperimenten gesammelt hatten. Wir erwähnen diese Möglichkeiten nicht, weil wir denken, das Universum könnte tatsächlich so beschaffen sein, sondern um Ihnen vor Augen zu führen, dass unser Teil des Universums tatsächlich so hätte sein können und dass es auf andere Materiearten im Universum zutreffen könnte, die wir noch nicht erforscht haben.

Aus diesem Grund sollten die ungelösten Rätsel des Universums, die Sie in diesem Buch entdecken werden, dazu dienen, Sie anzuregen und zu beflügeln, statt Sie zu entmutigen. Sie zeigen, wie viel noch zu erkunden und zu entdecken ist.

In dem Universum, das wir kennen und lieben, scheinen die Dinge um uns herum aus winzigen Teilchen zu bestehen. Nach Jahrtausenden des Denkens und Forschens besitzen wir heute eine sehr elegante Theorie der Materie.3 In der Zeit von Ooks und Groogs ersten Experimenten bis heute sind wir weit über das Periodensystem hinausgelangt und haben tief in das Atom hineingeblickt.

Materie, wie wir sie kennen, besteht aus Atomen der Elemente, die im Periodensystem aufgelistet sind. Jedes Atom hat einen Kern, der von einer Elektronenwolke umgeben ist. Der Kern enthält Protonen und Neutronen, die sich alle aus Up-Quarks und Down-Quarks zusammensetzen. Folglich können wir mit Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen jedes Element aus dem Periodensystem zusammenbauen. Was für eine Leistung! Wir haben unsere Liste der Bestandteile des Universums von unendlicher Länge zunächst auf etwa hundert Elemente des Periodensystems und dann auf lediglich drei Teilchen eingeschrumpft. Alles, was wir je gesehen, gerochen oder schmerzhaft mit dem Zeh angestoßen haben, lässt sich aus drei fundamentalen Bausteinen herstellen. Glückwunsch zu dieser kollektiven Arbeit von Millionen menschlicher Gehirne!

Zwar können wir zu Recht stolz auf uns als Art sein, trotzdem ist diese Beschreibung in zwei sehr wichtigen Hinsichten falsch.

Erstens: Es gibt irgendwo dort draußen im All auch andere Teilchen, nicht nur das Elektron und zwei Quarks. Diese drei Teilchen sind nur für die normale Materie zuständig, doch im letzten Jahrhundert haben Teilchenphysiker neun weitere Materieteilchen und fünf andere Teilchen entdeckt, die Kräfte übertragen. Einige dieser Teilchen sind sehr seltsam, etwa die geisterhaften Neutrino-Teilchen, die Billionen Kilometer durch Blei wandern können, ohne mit einem einzigen Teilchen zusammenzustoßen.4 Für Neutrinos ist Blei transparent. Andere Teilchen haben große Ähnlichkeit mit den Materieteilchen, sind aber sehr viel schwerer.

Warum gibt es diese Extrateilchen? Wozu dienen sie? Wer hat sie zur Party eingeladen? Wie viele andere Teilchenarten gibt es noch? - Wir wissen es nicht. Mehr als das: Wir haben keine Ahnung. Einige dieser Teilchen und ihre faszinierenden Muster werden wir in Kapitel vier eingehend erörtern.

Doch auch diese Beschreibung ist in einer anderen, sehr wichtigen Hinsicht unvollständig. Zwar brauchen wir nur drei Teilchen, um Sterne, Planeten und Gewürzgurken zu fertigen, doch es stellt sich heraus, dass diese Dinge nur einen winzigen Bruchteil des Universums bilden. Die Art Materie, die wir für normal halten - weil sie die einzige Art ist, die wir kennen -, ist tatsächlich ziemlich ungewöhnlich. Von allem Stoff (Materie und Energie) im Universum stellt diese Materieart nur fünf Prozent der Gesamtmenge.

Woraus bestehen die anderen fünfundneunzig Prozent des Universums? Wir wissen es nicht.

Wenn wir ein Tortendiagramm des Universums zeichneten, sähe es etwa wie folgt aus:

Diese Torte sieht ziemlich rätselhaft aus. Nur fünf Prozent sind Stoff, den wir kennen, darunter Sterne, Planeten und alles, was sich auf ihnen befindet. Volle siebenundzwanzig Prozent sind etwas, was wir »Dunkle Materie« nennen. Die restlichen achtundsechzig Prozent des Universums verstehen wir eigentlich überhaupt nicht. Physiker nennen sie »Dunkle Energie« und vermuten, sie bewirke die Expansion des Universums, aber das ist praktisch alles, was wir über die Dunkle Energie wissen. In späteren Kapiteln werden wir die beiden Begriffe erklären und darlegen, wie wir zu diesen exakten Zahlen gelangen.

Und es kommt noch schlimmer. Selbst innerhalb der fünf Prozent Stoff, mit denen wir uns auskennen, gibt es noch immer viele Dinge, die wir nicht wissen (denken Sie an diese Extrateilchen). In einigen Fällen kennen wir noch...