Das Universum – Was unsere Welt zusammenhält E-Book

Lucy Hawking

• Herausgeber: cbj
• Kategorie: Für Kinder und Jugendliche
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2020

Beschreibung

Der Schlüssel zum Universum

Wie ist unser Universum entstanden? Und wie unser Planet Erde? Gibt es da draußen in fernen Galaxien Lebewesen? Sind Zeitreisen möglich? Und wie wird das Leben auf unserem Planeten in der Zukunft aussehen? Nie waren diese Fragen von größerer Brisanz als heute. Dieser Band versammelt spannende Essays von führenden Wissenschaftlern, darunter Stephen Hawking selbst, die genau diese großen Fragen präzise und leicht verständlich beantworten. Mit zahlreichen faszinierenden Farbfotos, Schaubildern und Info-Kästen ist dies ein großartiges Kompendium, das junge Naturwissenschaftler*innen, und solche die es werden wollen, von der ersten bis zur letzten Seite fesselt. Herausgegeben von Lucy Hawking, der Tochter des berühmten Astrophysikers.

Alle Bänder der »Das Universum«-Reihe:
Der geheime Schlüssel zum Universum (Band 1)
Die unglaubliche Reise ins Universum (Band 2)
Zurück zum Urknall. Die große Verschwörung (Band 3, nur als Hörbuch zum Download verfügbar)
Das Universum – Was unsere Welt zusammenhält (Band 4)
Alle Bücher können unabhängig voneinander gelesen werden.

Leseprobe

STEPHEN & LUCY HAWKING

DAS UNIVERSUM

Was unsere Welt zusammenhält

Antworten auf die großen Fragen der Menschheit

Aus dem Englischen vonStephan Matthiesen

Der Inhalt dieses E-Books ist urheberrechtlich geschützt und enthält technische Sicherungsmaßnahmen gegen unbefugte Nutzung. Die Entfernung dieser Sicherung sowie die Nutzung durch unbefugte Verarbeitung, Vervielfältigung, Verbreitung oder öffentliche Zugänglichmachung, insbesondere in elektronischer Form, ist untersagt und kann straf- und zivilrechtliche Sanktionen nach sich ziehen.Sollte diese Publikation Links auf Webseiten Dritter enthalten, so übernehmen wir für deren Inhalte keine Haftung, da wir uns diese nicht zu eigen machen, sondern lediglich auf deren Stand zum Zeitpunkt der Erstveröffentlichung verweisen.

Copyright © Lucy Hawking, 2020

Detaillierte Copyright-Hinweise als Teil der Danksagung

Layout, Grafik und Illustrationen von Jan BielickiCopyright © für die deutsche Ausgabe 2020

cbj Kinder- und Jugendbuchverlag

in der Penguin Random House Verlagsgruppe GmbH, Neumarkter Straße 28, 81673 München

Alle deutschsprachigen Rechte vorbehalten

Die Originalausgabe erschien 2020 unter dem Titel

»Unlocking the Universe« bei Puffin Books Penguin Random House, Children’s

Penguin Random House UK, London

Aus dem Englischen von Stephan Matthiesen und Irene Rumler

Umschlagfertigstellung: Geviert, Grafik &Typografie

CK · Herstellung: AJ

Satz: Uhl + Massopust, Aalen

ISBN 978-3-641-27295-1V001www.cbj-verlag.de

Denke daran, zu den Sternen emporzublicken, statt hinunter zu deinen Füßen.

Stephen Hawking

Inhalt

Einführung

Teil 1: Am Anfang

Die Entstehung des Universums

Eine Reise durch das Universum

Gleichförmigkeit des Raums

Eine Theorie von Allem

Der Urknall

Die Ausdehnung des Universums

Kam das Leben vom Mars?

Wie begann das Leben?

Die Geschichte des Lebens

Genetik

Teil 2: Unsere Erde

Die Erde: Woraus besteht sie?

Wie lang ist ein »Tag« auf der Erde?

Die bewohnbare Zone

Die Ozeane der Erde

Vulkane auf der Erde, im Sonnensystem und anderswo

Woraus besteht die Erde?

Teilchenkollisionen

Unbestimmtheit und Schrödingers Katze

M-Theorie: Elf Dimensionen!

Die Bausteine des Lebens

Flach-Erdlinge, Mondlandungs-Leugner und Impfgegner

Teil 3: Erforschung des Universums

Weltraumsprünge

Der Nachthimmel

Unser Mond

Licht und Sterne

Das Sonnensystem

Merkur

Venus

Mars

Jupiter

Saturn

Uranus

Neptun

Pluto

Kleinere Objekte

Exoplaneten

Alpha Centauri

55 Cancri

Die Andromedagalaxie

Satelliten im Weltraum

Das Multiversum

Teil 4: Über die Dunkelheit

Die dunkle Seite des Mondes

Die dunkle Seite des Universums

Dunkle Materie und dunkle Energie

Schwarze Löcher

Singularitäten

Im Dunkeln

Schwarze Löcher

Teil 5: Leben im Weltraum

Warum fliegen wir in den Weltraum?

Leben auf dem Mars?

Wie man Marsraketen baut

Wie wäre das Leben auf dem Mars?

Menschen im Weltraum

Der »Übersichtseffekt«

Die Drake-Gleichung

Schwerelosigkeitsflüge

Roboter im Weltraum

Kometen

Das Licht und wie es durch den Weltraum reist

Kontakt mit Außerirdischen

Wie sich Schall im Weltraum ausbreitet

Ist da draußen jemand?

Teil 6: Zeitreisen …

Wurmlöcher und Zeitreisen

Raum, Zeit und Relativität

Zeitreisen und das Rätsel der bewegten Uhren

Teil 7: … in die Zukunft

Mein Roboter, deine Roboter

Roboterethik

Künstliche Intelligenz

Über die Ethik der KI

Was ist ein Computer?

Die universelle Turingmaschine

Was können Computer nicht?

Quantencomputer

3-D-Drucker

Fahrerlose Autos

Gefahren für unseren Planeten

Die Zukunft der Ernährung

Die Zukunft der Politik … bist du!

Städte der Zukunft

Das Internet: Privatsphäre, Identität und Information

Der Klimawandel

Bildteil

Glossar

Danksagung und Quellen-Verzeichnis

Die Autoren

Einführung

Mein ganzes Leben lang hatte ich das außerordentliche Privileg, einige der größten und erfindungsreichsten Wissenschaftler, Freunde und Kollegen meines Vaters Stephen kennenzulernen, mich mit ihnen zu unterhalten und ihnen Fragen zu stellen. Mein Vater war ein erstaunlicher Wissenschaftler, dem klar war, wie wichtig es ist, so über seine Arbeit zu sprechen, dass ihn möglichst viele Menschen verstanden. Er fand, jeder habe das Recht zu wissen, was Wissenschaftler tun und was ihre Arbeit bedeutet. So schien es mir schon als Schülerin ganz normal, Fragen zu stellen. Manchmal waren die Antworten überraschend, regten zum Nachdenken an oder machten mich sogar wütend. Aber ich erhielt Antworten von Menschen, die wussten, wovon sie sprachen. Und wenn ich ihnen zuhörte oder noch mehr Fragen stellte, hatte ich das Gefühl, ich könnte meine Hände ausstrecken und die Großartigkeit des Universums berühren.

Als ich älter wurde, erkannte ich, wie ungewöhnlich dieses Privileg war, das mir als Kind zuteilgeworden war. Deshalb ist es mir wichtig, dieses Glück, das ich im Leben hatte, den Umgang mit diesen faszinierenden, originellen, kreativen, brillanten und lustigen Menschen, in meine Bücher mit einzubringen. Die Abenteuer des Jungen George, beginnend mit dem wunderbaren Essay meines Vaters in unserem ersten gemeinsamen Buch »Der geheime Schlüssel zum Universum«, werden durch die Stimmen der vielfältigen und fabelhaften Wissenschaftler und Experten bereichert und illustriert, die für junge Leser ihre Forschung und ihr Leben beschrieben haben.

Natürlich haben wir dank des Internets heute viel mehr Informationen, die leichter zugänglich sind als in meiner Kindheit. Aber was bedeutet das alles? Und woher weißt du, dass das, was du im Internet liest, wahr ist? Mein Vater und ich erkannten bei unserer gemeinsamen Arbeit, dass wir mit der Hilfe unserer »Familie« von Experten Informationen in Wissen verwandeln konnten. »Das Universum – Was unsere Welt zusammenhält« vereint alle die wunderbaren Essays und Informationskästen, die wir in der George-Reihe gesammelt haben, in einem Buch – ergänzt durch einige weitere spannende Themen, die wir schon seit Langem ergänzen wollten, wie etwa Genetik, das Multiversum und einen neuen Artikel über schwarze Löcher.

Unsere neuen Autoren beschäftigen sich zudem mit der Ethik der künstlichen Intelligenz und dem Problem der Wissenschaftsleugnung. Unsere allerjüngste Autorin wagt sich an das Thema Klimawandel und an die Frage, wie man sich als Teenager in einer sich erwärmenden Welt fühlt.

Es scheint sehr lange her zu sein, seit mein Vater und ich zuerst die Idee hatten, darüber zu schreiben, wie es einem Jungen ergehen würde, der in ein schwarzes Loch fällt. Dieses erste Buch wurde von einer Frage inspiriert, die meinem Vater auf einer Geburtstagsfeier gestellt wurde. Mit dieser Frage begann für uns eine Mission, ein Buch als Antwort zu schreiben – und jetzt, bei unserem siebten und letzten Buch, kann ich wohl ehrlich sagen: Wenn man eine Frage stellt, weiß man nie, was dabei herauskommt. In »Der geheime Schlüssel zum Universum« schreibt Annies Vater, der Wissenschaftler Eric, ein Kinderbuch mit dem Titel »Benutzerhandbuch für das Universum«. Und das ist genau das, was dieses Buch ist.

Es ist eine Freude und ein Privileg, mit dir auf diese Reise zu gehen. Wenn du bereits andere Bücher von uns gelesen hast, vielen Dank! Und wenn nicht – spring ins Raumschiff und bereite dich auf den Start vor. Viel Glück auf all unseren kosmischen Abenteuern, und denke daran: Flieg nicht zu nahe an ein schwarzes Loch heran …

Teil 1 Am Anfang

Die Entstehung des Universums

ProfessorSTEPHEN HAWKINGGründer und ehemaliger Direktor des Instituts für Theoretische Kosmologie, Universität Cambridge

Es gibt viele verschiedene Geschichten, die erzählen, wie die Welt entstanden ist. Das Volk der Bushongo in Zentralafrika beispielsweise glaubt, dass es am Anfang nur Dunkelheit, Wasser und den mächtigen Gott Bumba gab. Eines Tages hatte Bumba Bauchweh und erbrach daraufhin die Sonne. Die Sonne trocknete einen Teil des Wassers aus, sodass Land entstand. Bumba, der noch immer Bauchweh hatte, erbrach den Mond, die Sterne und dann ein paar Tiere – den Leoparden, das Krokodil, die Schildkröte und schließlich den Menschen.

Andere Völker haben andere Geschichten. Schon früh versuchten die Menschen, Antworten auf die großen Fragen zu finden:

Warum sind wir hier?Woher sind wir gekommen?

Die ersten wissenschaftlichen Belege für eine Antwort auf diese Fragen fand man vor etwa 80 Jahren, als man entdeckte, dass sich andere Galaxien von unserer wegbewegen. Das Universum dehnt sich aus und die Galaxien entfernen sich voneinander. Das bedeutet, dass sie in der Vergangenheit näher beisammen waren. Vor fast 14 Milliarden Jahren befand sich das Universum in einem extrem heißen und dichten Zustand, den wir als Urknall bezeichnen.

Kurz nachdem das Universum mit dem Urknall begonnen hatte, dehnte es sich zunächst immer rascher aus. Diese Phase bezeichnet man als Inflation, weil die immer schnellere Expansion mit den fortwährend steigenden Preisen in den Geschäften vergleichbar ist. Doch die Inflation zu Beginn des Universums verlief viel rasanter als jede Preissteigerung. Verdoppeln sich die Preise innerhalb eines Jahres, sprechen wir bereits von einer starken Inflation. Doch das Universum hat sich innerhalb eines winzigen Sekundenbruchteils viele Male verdoppelt.

Durch die Inflation wurde das Universum sehr groß und gleichförmig. Aber es war nicht völlig gleichförmig, sondern hier und da gab es winzige Abweichungen. Diese Abweichungen führten zu winzigen Temperaturunterschieden. Sehen können wir sie heute noch in der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung, die vor allem aus Mikrowellen besteht. Die Abweichungen bewirkten, dass sich einige Regionen etwas weniger schnell ausdehnten als andere. Irgendwann dehnten sich die langsameren Regionen sogar gar nicht weiter aus, sondern kollabierten und bildeten Galaxien und Sterne. Daher verdanken wir den winzigen Abweichungen unsere Existenz: Wäre das Universum in seiner frühen Phase völlig glatt gewesen, gäbe es keine Galaxien oder Sterne, und folglich hätte kein Leben entstehen können. (Übersetzt von Irene Rumler)

Der Urknall

Der Urknall ist eine Theorie – eine Idee oder, genauer gesagt, ein ganzes Ideengebäude – darüber, wie das Universum seinen Anfang nahm. Die Wissenschaft sucht nach Belegen dafür, dass diese Ideen korrekt sind. Die meisten Wissenschaftler halten die Urknall-Theorie für richtig.

Gleichförmigkeit des Raums

Um die allgemeine Relativitätstheorie auf das gesamte Universum anzuwenden, setzen wir gewöhnlich einige Grundannahmen voraus:

Das Weltall sollte sich an jedem Ort im Raum gleich darstellen (Homogenität). Das heißt, überall gibt es die gleichen Objekte mit den gleichen Naturgesetzen.Das Weltall sollte sich in jede Beobachtungsrichtung gleich darstellen (Isotropie).

Dies führt zu folgendem Konzept eines Universums:

Es ist gleichförmig im Raum.Es beginnt mit dem Urknall.Es dehnt sich dann überall gleich aus.

Astronomische Beobachtungen – das, was wir durch Fernrohre am Boden und im Weltraum sehen – stützen dieses Bild.

Doch das Universum kann nicht vollkommen räumlich gleichförmig sein, denn dann könnten Strukturen wie Galaxien, Sterne, Sonnensysteme, Planeten oder Menschen gar nicht existieren. Ein Muster winziger Wellen ist nötig, um zu erklären, wie die ersten Flecken von Gas und dunkler Materie zu kollabieren beginnen konnten, damit nach den Gesetzen der Physik später daraus Sterne und Planeten entstehen konnten.

Weil das Gas und die dunkle Materie am Anfang fast gleichförmig verteilt waren und weil wir glauben, dass die physikalischen Gesetze überall gelten, erwarten wir, dass alle Galaxien auf ähnliche Weise entstanden sind. Wenn das so ist, dann sollten entfernte Galaxien ähnliche Arten von Sternen, Planeten und Asteroiden haben wie die, die wir in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, sehen.

Woher die anfänglichen Wellen kamen, verstehen wir noch nicht völlig. Nach der im Augenblick einleuchtendsten Theorie kommen sie von einem mikroskopisch kleinen Quantenzittern. Dieses wurde durch eine frühe, sehr schnelle Ausdehnungsphase enorm vergrößert, die man Inflation nennt und die schon einen winzigen Sekundenbruchteil nach dem Urknall stattfand.

Edwin Hubble (1889–1953)

Edwin Hubble war ein US-amerikanischer Astronom. In der Schule war er ein Sportchampion und hatte in allen Fächern gute Noten, außer in der Rechtschreibung. Als Astronom arbeitete er in Kalifornien am Mount-Wilson-Observatorium. 1923 betrachtete er mit dem enormen 2,5-Meter-Hooker-Teleskop den Andromedanebel. Er entdeckte einen bestimmten Typen von Stern, die Cepheiden-Veränderlichen, anhand dessen er berechnete, dass der Andromedanebel 900000 Lichtjahre von der Erde entfernt sei. Das wäre innerhalb unserer Milchstraße nicht möglich, weil der Radius unserer Galaxie 52850 Lichtjahre beträgt – der Andromedanebel war also tatsächlich eine Andromedagalaxie. Damit hatte man zum ersten Mal eine andere Galaxie entdeckt und schloss daraus, dass das Universum aus vielen weiteren Galaxien besteht. Einige dieser Galaxien entdeckte Hubble später selbst. Er entwickelte auch ein System, Galaxien nach ihrer Form zu klassifizieren, und erkannte, dass sie sich umso schneller bewegen, je weiter sie von unserem Sonnensystem entfernt sind.

Inzwischen wurde berechnet, dass die Andromedagalaxie nicht 900000, sondern 2,5 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sein muss. Dennoch war Hubbles Entdeckung bahnbrechend und bewies, dass Andromeda außerhalb unserer eigenen Galaxie liegt.

Eine Theorie von Allem

Im Laufe der Geschichte haben die Menschen stets versucht, die wunderbaren Dinge zu verstehen, die sie sahen, und sich gefragt:

Was sind diese Objekte?Warum bewegen und verändern sie sich?Gab es sie immer?Was sagen sie uns darüber, warum wir selbst existieren?

Erst in den letzten Jahrhunderten haben wir wissenschaftliche Antworten gefunden.

Klassische Theorie

1687 veröffentlichte der große englische Mathematiker und Physiker Isaac Newton die Bewegungsgesetze, die beschreiben, wie Kräfte auf die Bewegung von Körpern wirken, und das Gravitationsgesetz, nach dem jeder Körper im Universum jeden anderen mit einer Kraft, der Schwerkraft oder Gravitation, anzieht. Das Gravitationsgesetz erklärt, warum wir nicht von der Erdoberfläche abheben, warum die Erde die Sonne umkreist und wie die Planeten und Sterne entstanden sind. Auf der Größenordnung der Planeten, Sterne und Galaxien ist die Schwerkraft der Baumeister, der die große Struktur des Universums bestimmt. Auf die newtonschen Gesetze greifen wir noch heute zurück, wenn wir Satelliten in die Erdumlaufbahn und Raumsonden zu anderen Planeten zu schicken. Aber neuere Theorien wie die einsteinschen Relativitätstheorien sind nötig, wenn es um Körper geht, die sehr schnell oder sehr massereich sind, und wiederum andere Theorien erklären das Verhalten von winzigen Dingen wie Atomen oder Elementarteilchen.

Die Bewegungsgesetze

Jeder Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit, wenn keine äußere Kraft auf ihn wirkt.Die Impulsänderung eines Körpers ist ebenso groß wie die Stärke der äußeren Kraft und zeigt in die gleiche Richtung.Wenn ein Körper eine Kraft auf einen anderen Körper ausübt, dann übt der zweite Körper auch eine Kraft auf den ersten auf, die die gleiche Stärke, aber die entgegengesetzte Richtung hat.

Das Gravitationsgesetz

Jeder Körper im Universum zieht jeden anderen Körper mit einer Kraft an, die in Richtung der Verbindungslinie der beiden Körper zeigt und die proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands ist.

Sir Isaac Newton (1642–1727)

Isaac Newton war ein englischer Mathematiker und Physiker. Sein Vater starb, als er ein Kind war, und er wurde von seiner Großmutter erzogen. Als Schüler bastelte er Sonnenuhren und Wasseruhren. Nach einer berühmten Anekdote soll er im häuslichen Garten gesehen haben, wie ein Apfel zu Boden fiel, was ihn dazu anregte, die Gesetze der Schwerkraft auszuarbeiten. Er hatte wohl alle seine Gravitationsgesetze im Alter von 23 Jahren ausformuliert.

Newton entdeckte auch, dass man weißes Licht mit einem Prisma in Farben auftrennen kann. Er erfand eine neue Form von Teleskopen. Zwar war er den Wissenschaftlern und Mathematikern seiner Zeit gut bekannt, aber er veröffentlichte seine Arbeiten erst in relativ hohem Alter. Er war zweimal Parlamentsabgeordneter für die Universität Cambridge und wurde 1705 geadelt.

Quantentheorie

Die klassischen Theorien erklären große Dinge wie Galaxien, Sterne und sogar Bakterien. Aber sie können nicht erklären, wie Atome funktionieren. Eigentlich dürften Atome klassisch gar nicht existieren! Im frühen 20. Jahrhundert erkannten Physiker, dass sie eine völlig neue Theorie brauchten, um sehr kleine Dinge wie Atome oder deren Bestandteile, zum Beispiel Elektronen, zu verstehen. Dies versucht die Quantentheorie. Die Version, die unser heutiges Wissen der Elementarteilchen und Grundkräfte zusammenfasst, heißt Standardmodell. Es umfasst Quarks und Leptonen (die Teilchen, aus denen die Materie besteht), Kraft- oder Austauschteilchen (die Kräfte vermitteln, nämlich Gluonen, Photonen, W- und Z-Bosonen) sowie das Higgs-Boson (das nötig ist, um die Masse von anderen Teilchen zu erklären). Viele Wissenschaftler halten das Standardmodell für zu kompliziert und hätten gerne ein einfacheres.

Und was ist mit der dunklen Materie, die Astronomen entdeckt haben? Und mit der Schwerkraft? Das Austauschteilchen der Schwerkraft heißt Graviton, aber es ins Standardmodell einzufügen, ist schwierig, weil die Gravitation ganz anders als die anderen Kräfte ist – sie verändert die Form der Raumzeit.

Eine Theorie, die alle Kräfte und alle Teilchen erklärt – eine »Theorie von Allem« oder »Weltformel« –, könnte ganz anders aussehen als alles bisher Bekannte, denn sie müsste nicht nur die Schwerkraft, sondern auch die Raumzeit erklären. Doch wenn es sie gibt, sollte sie das physikalische Funktionieren des gesamten Universums erklären, auch schwarze Löcher, den Urknall und die ferne Zukunft des Kosmos. Eine spektakuläre Errungenschaft.

Dunkle Materie

Dunkle Materie ist eine Idee. Das Universum verhält sich auf eine Weise, die nicht durch die Menge an Materie erklärt werden kann, die wir sehen. Eine Galaxie müsste etwa zehnmal so viel Masse haben wie die, die wir sehen können, um ihr Verhalten zu erklären. Wissenschaftler wissen nicht, was dort noch vorhanden sein könnte – sie sehen ja nichts –, und nennen die fehlende Masse daher dunkle Materie. Das könnten Elementarteilchen sein oder kleine, sehr schwache Sterne oder schwarze Löcher. Einige Wissenschaftler denken, dass die dunkle Materie heiß ist, andere halten sie für kalt. Die Diskussionen und die Forschungen gehen weiter.

Max Planck (1858–1947)

Max Planck war ein deutscher mathematischer Physiker. Er hätte auch Musiker werden können, denn er konnte gut singen und sowohl Klavier als auch Orgel und Cello spielen. Aber er wollte lieber Wissenschaftler werden. Ihn interessierte die Thermodynamik: wie Körper Wärme aufnehmen (absorbieren) und abgeben (emittieren). In seiner Quantentheorie, die er im Jahr 1900 veröffentlichte, schlug Planck vor, dass Energie nur in kleinen Paketen absorbiert und abgegeben wird, die man Quanten nennt. 1905 regte Plancks Arbeit Albert Einstein dazu an, eine ähnliche Theorie über das Licht zu entwickeln. Max Planck erhielt 1918 den Nobelpreis für Physik.

Der Urknall

Stell dir vor, du sitzt im Universum zu dieser sehr frühen Zeit (offensichtlich kannst du nicht außerhalb des Universums sitzen). Du müsstest sehr widerstandsfähig sein, denn die Temperatur und der Druck in dieser Urknallsuppe sind unglaublich hoch. Damals war sämtliche Materie, die wir heute um uns sehen, auf eine Region zusammengepresst, die kleiner als ein Atom war.

Es ist ein winziger Sekundenbruchteil nach dem Urknall, und alles sieht in jede Richtung ziemlich gleich aus. Es gibt keinen Feuerball, der sich ausbreitet, vielmehr gibt es nur einen heißen Klumpen von Materie, der den gesamten Raum ausfüllt.

Was ist diese Materie? Wir wissen das nicht so genau – es könnten Typen von Teilchen sein, die wir heute nicht mehr sehen, es könnten auch »Strings« (winzige Schleifen von fadenartigen Strukturen) sein, aber es ist gewiss »exotische« Materie, auf deren Beobachtung wir heute nicht mehr hoffen dürfen, nicht einmal in den größten Teilchenbeschleunigern.

Beim Urknall dehnt sich dieser Klumpen sehr heißer exotischer Materie aus, weil der Raum, den er ausfüllt, größer wird. Die Materie strömt in alle Richtungen von dir weg und der Klumpen wird weniger dicht. Je weiter ein Materiebereich von dir entfernt ist, desto mehr expandierender Raum liegt zwischen dir und ihm, und desto schneller bewegt sich dieser Bereich von dir weg.

Die am weitesten entfernte Materie bewegt sich sogar schneller als in Lichtgeschwindigkeit von dir weg!

Eine Menge komplizierter Veränderungen laufen nun sehr schnell ab – alle in der ersten Sekunde nach dem Urknall. Durch die Ausdehnung des winzigen Universums kühlt sich die heiße exotische Teilchensuppe ab. Dadurch kommt es zu plötzlichen Veränderungen, so ähnlich, wie wenn Wasser beim Abkühlen zu Eis wird.

Das frühe Universum ist immer noch viel kleiner als ein Atom. Eine dieser Zustandsänderungen erzeugt eine gewaltige Beschleunigung der Ausdehnung: die Inflation. Die Größe des Universums verdoppelt sich und verdoppelt sich dann noch einmal und noch einmal, bis es sich insgesamt 90-mal jeweils verdoppelt hat und von subatomaren auf mit dem menschlichen Auge wahrnehmbare Größenordnungen angewachsen ist. Wie beim Spannen eines Bettlakens glättet diese enorme Dehnung alle größeren Beulen in der Materieverteilung, sodass das Universum, das wir am Ende sehen, sehr glatt ist und in alle Richtungen praktisch gleich aussieht.

Andererseits werden mikroskopische Unebenheiten ebenfalls gedehnt und werden viel größer; sie lösen später die Bildung von Sternen und Galaxien aus.

Die Inflation endet abrupt und setzt eine große Menge Energie frei, die eine Flut neuer Teilchen erzeugt. Die exotische Materie ist verschwunden und durch Teilchen ersetzt, die uns heute noch vertraut sind, darunter Quarks (die Bausteine der Protonen und Neutronen, auch wenn es für deren Entstehung noch zu heiß ist), Antiquarks, Gluonen (die zwischen Quarks und Antiquarks ausgetauscht werden), Photonen (die Teilchen, aus denen das Licht besteht), Elektronen und andere Teilchen, die die Physiker gut kennen. Es könnte auch Teilchen der dunklen Materie geben, aber auch wenn wir denken, dass sie entstehen müssen, verstehen wir bisher noch nicht, was sie sind.

Wohin ist die exotische Materie verschwunden? Ein Teil wurde während der Inflation in ferne Regionen des Universums weggeschleudert, die wir vermutlich niemals sehen werden, und ein anderer Teil zerfiel in weniger exotische Teilchen, als die Temperatur sank. All die Materie um uns herum ist viel weniger heiß und dicht als zuvor, wenn auch immer noch viel heißer und dichter als heute (selbst im Inneren von Sternen). Das Universum ist mit einem heißen, leuchtenden Nebel (einem Plasma) angefüllt, der vor allem aus Quarks, Antiquarks und Gluonen besteht.

Die Expansion des Universums geht weiter (aber weniger schnell als in der Inflationsphase), und irgendwann sinkt die Temperatur so weit, dass sich Quarks und Antiquarks in Zweier- oder Dreiergruppen aneinander binden können und auf diese Weise Protonen, Neutronen und andere Teilchen bilden, sogenannte Hadronen. Man sieht immer noch kaum etwas in dem leuchtenden, nebligen Plasma, als das Universum eine Sekunde alt ist.

Wenn zwei Atome mit verschiedenen Zahlen von Elektronen miteinander reagieren, können sie Elektronen austauschen und bilden dabei eine sogenannte Ionenverbindung; sie werden dabei geladen – eines positiv, das andere negativ.

In den nächsten paar Sekunden kommt es zum Feuerwerk, weil der Großteil der Materie und Antimaterie sich gegenseitig vernichtet und dabei Unmengen neuer Photonen entstehen. Der Nebel besteht jetzt vor allem aus Protonen, Neutronen, Elektronen, dunkler Materie und (hauptsächlich) Photonen. Die geladenen Protonen und Elektronen verhindern, dass die Photonen weit reisen können, sodass die Sichtweite in diesem expandierenden und abkühlenden Nebel immer noch sehr gering ist.

Antimaterie

Antimaterie besteht aus Teilchen, die den Teilchen der normalen Materie ähneln, aber bei denen viele Eigenschaften, unter anderem ihre elektrische Ladung, entgegengesetzt sind. Wenn gewöhnliche Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, dann zerstören sie sich gegenseitig.

Als das Universum ein paar Minuten alt ist, bilden die übrig gebliebenen Protonen und Neutronen Atomkerne, vor allem solche, die später zu Wasserstoff und Helium werden. Sie sind noch geladen, sodass man durch den Nebel nicht hindurchsehen kann. In diesem Augenblick ähnelt die neblige Materie dem, was man heute im Inneren von Sternen findet, aber natürlich füllt sie das gesamte Universum aus.

Nach der hektischen Aktivität in den ersten Minuten seiner Existenz bleibt das Universum die nächsten paar Hunderttausend Jahre ziemlich gleich, dehnt sich aber weiter aus und kühlt weiter ab, sodass der heiße Nebel immer dünner wird. Zugleich wird er weniger hell und rötlicher, denn durch die Expansion des Raums wird auch die Wellenlänge des Lichts gedehnt.

Dann, nach 380000 Jahren, als der Teil des Universums, den wir später von der Erde aus sehen können, auf einige Millionen Lichtjahre Durchmesser angewachsen ist, lichtet sich der Nebel endlich – Elektronen werden von den Wasserstoff- und Heliumkernen eingefangen, sodass vollständige Atome entstehen. Da sich die elektrischen Ladungen der Elektronen und der Atomkerne aufheben, sind sämtliche Atome ungeladen, und die Photonen können sich ungehindert ausbreiten – das Universum wird transparent.

Was siehst du nun nach dieser langen Wartezeit im Nebel? Nur ein sich abschwächendes rotes Glühen in alle Richtungen, das immer rötlicher und schwächer wird, weil die Ausdehnung des Raums auch die Wellenlänge der Photonen dehnt. Schließlich wird das Licht so weit gedehnt, dass es ganz unsichtbar wird, und überall ist Dunkelheit – wir sind in das kosmische finstere Zeitalter eingetreten.

Die Photonen des letzten Glühens sind seither immer weiter durch das Universum gewandert und wurden dabei immer weiter ins Rote verschoben – heute kann man sie noch als sogenannte kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nachweisen, die immer noch aus allen Richtungen auf der Erde eintreffen.

Das finstere Zeitalter dauert ein paar Hundert Millionen Jahre an und in dieser Zeit gibt es tatsächlich nichts zu sehen. Das Universum ist immer noch mit Materie angefüllt, aber fast alles ist dunkle Materie. Außerdem gibt es Wasserstoff- und Heliumgas, aber nichts davon erzeugt neues Licht. In der Dunkelheit gibt es jedoch stille Veränderungen.

Die mikroskopisch kleinen Wellen, die durch die Inflation vergrößert wurden, führten dazu, dass einige Regionen etwas mehr Masse enthalten als andere. Dies erhöht die Schwerkraft in diesen Regionen, was weitere Masse anzieht; die dunkle Materie, das Wasserstoffgas und das Heliumgas, die bereits dort vorhanden sind, werden zusammengezogen. Über Jahrmillionen sammeln sich durch die stärkere Gravitation dichtere Flecken von dunkler Materie und Gas an. Sie wachsen langsam, indem sie immer mehr Materie anziehen. Zu einem schnelleren Wachstum kommt es, wenn sie mit anderen ähnlichen Verdichtungen zusammenstoßen und verschmelzen. Wenn die Gasatome in diese Verdichtungen fallen, werden sie schneller, und das Gas erhitzt sich dadurch immer weiter. Von Zeit zu Zeit wird das Gas so heiß, dass der Kollaps gestoppt wird, es sei denn, das Gas kann sich durch die Emission von Photonen abkühlen oder wird durch die Kollision mit einer anderen Gaswolke weiter komprimiert.

Wenn es weit genug kollabiert, zerfällt das Gas in kugelförmige Klumpen, die so dicht sind, dass die Hitze nicht mehr abstrahlen kann. Schließlich wird ein Punkt erreicht, an dem die Wasserstoffkerne in den Gasklumpen so heiß und so dicht zusammengedrückt sind, dass sie zu Heliumkernen fusionieren (d. h. miteinander verschmelzen) und dabei Kernenergie freisetzen. Du sitzt in einem dieser kollabierenden Klumpen aus dunkler Materie und Gas (denn dies ist die Stelle, an der später die Galaxie der Erde sein wird) und wirst davon überrascht, dass die Dunkelheit durchbrochen wird, wenn die ersten dieser Klumpen um dich herum in helles Licht ausbrechen. Die ersten Sterne sind geboren und das finstere Zeitalter ist vorüber.

Die ersten Sterne verbrennen ihren Wasserstoff schnell, und in ihrem letzten Stadium fusionieren sie alle Kerne, die noch vorhanden sind, zu schwereren Kernen als Helium: Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und all die anderen schwereren Atomsorten entstehen, die sich heute überall um uns herum (und in uns) befinden. Diese Atome, die »Asche« der ersten Sterne, werden in gewaltigen Explosionen in nahe Gaswolken zerstreut und von der zweiten Sterngeneration aufgenommen. Dieser Prozess setzt sich fort: Neue Sterne entstehen aus den sich ansammelnden Gas- und Staubwolken, sie vergehen wieder und erzeugen dabei mehr Asche. Bei der Entstehung jüngerer Sterne bildet sich die vertraute Spiralform unserer Galaxie – der Milchstraße. Das Gleiche passiert in ähnlichen Klumpen aus dunkler Materie und Gas im ganzen sichtbaren Universum.

Die Sonne

Neun Milliarden Jahre sind seit dem Urknall vergangen, und nun nimmt ein junger Stern, umgeben von Planeten, Gestalt an und entzündet sich. Der Stern und die Planeten sind aus dem Wasserstoff- und Heliumgas und der Asche toter Sterne entstanden.

Weitere 4,5 Milliarden Jahre später könnte der dritte Planet dieses Sterns immer noch der einzige Ort im Universum sein, auf dem Menschen bequem leben können. Einer dieser Menschen bist du. Du wirst Sterne, Wolken aus Gas und Staub, Galaxien und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung überall am Himmel sehen – aber nicht die dunkle Materie, also den Großteil dessen, was da draußen liegt. Du wirst auch nichts von den Regionen sehen, die so weit entfernt sind, dass selbst die Photonen der Hintergrundstrahlung noch nicht zu uns gelangt sind. Es könnte sogar Teile im Universum geben, von denen das Licht niemals unseren Planeten erreicht.

Die Ausdehnung des Universums

Der Astronom Edwin Hubble studierte mit dem 2,5-Meter-Teleskop auf dem Mount Wilson in Kalifornien den Nachthimmel. Er fand, dass einige der Nebel – verschwommene, leuchtende Flecken am Himmel – tatsächlich Galaxien wie unsere Milchstraße sind. Sie sind von unterschiedlicher Größe, aber jede enthält Milliarden und Abermilliarden von Sternen. Darüber hinaus entdeckte Hubble eine erstaunliche Tatsache: Andere Galaxien scheinen sich von uns zu entfernen, und je weiter sie entfernt sind, desto schneller ist ihre scheinbare Geschwindigkeit. Plötzlich wurde das von Menschen wahrnehmbare Universum viel, viel größer.

Das Universum expandiert immer noch: Die Entfernungen zwischen Galaxien nehmen mit der Zeit zu. Stell dir das Universum als die Oberfläche eines Ballons vor, mit Punkten darauf, die Galaxien darstellen. Wenn man den Ballon aufbläst, dann entfernen sich die Punkte bzw. Galaxien voneinander, und je weiter entfernt sie liegen, desto schneller nimmt der Abstand zwischen ihnen zu.

Rotverschiebung

Sehr heiße Objekte wie Sterne erzeugen sichtbares Licht, aber da sich das Universum ständig ausdehnt, bewegen sich diese fernen Sterne und ihre Heimatgalaxien von der Erde weg. Dabei wird auch das Licht selbst gedehnt, und je weiter es durch den Weltraum läuft, desto stärker wird es gedehnt. Diese Dehnung lässt das Licht rötlicher aussehen – diesen Effekt nennt man kosmologische Rotverschiebung.

Die frühe Atmosphäre

✦ Die Erdatmosphäre war nicht immer so wie heute. Wenn wir 3,5 Milliarden Jahre zurückreisen könnten in die Zeit, als die Erde etwa 1 Milliarde Jahre alt war, dann könnten wir dort nicht atmen.

✦ Die Atmosphäre der Erde vor 3,5 Milliarden Jahren enthielt keinen Sauerstoff. Die genaue Zusammensetzung ist nicht bekannt, doch sie bestand wohl vor allem aus Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid und Methan. Was wir aber wissen, ist, dass in dieser Periode enorme Vulkanausbrüche stattfanden, die Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und Schwefelwasserstoff in die Atmosphäre freisetzten. Schwefelwasserstoff stinkt wie faule Eier und ist giftig, wenn man große Mengen einatmet.

✦ Heute besteht unsere Atmosphäre aus etwa 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 0,93 % Argon. Die übrigen 0,07 % sind vor allem Kohlendioxid (0,04 %) und eine Mischung aus Neon, Helium, Methan, Krypton und Wasserstoff.

Kam das Leben vom Mars?

DR. BRANDON CARTERLabor des Universums und seiner Theorien, Observatorium Paris-Meudon, Frankreich

Wo und wann hat das Leben, so wie wir es kennen, angefangen? Hat es auf der Erde begonnen? Oder könnte es vom Mars gekommen sein?

Vor ein paar Hundert Jahren glaubten die meisten Leute, dass es Menschen und andere Arten schon seit der Erschaffung der Welt gegeben habe. Man betrachtete die Erde im Wesentlichen als die Gesamtheit der diesseitigen Welt, und ihre Erschaffung stellte man sich als ein ziemlich plötzliches Ereignis vor, ähnlich dem Urknall, an den die Mehrheit der Wissenschaftler heutzutage glaubt. So wurde es in den Schöpfungsgeschichten wie etwa dem Buch Genesis, dem ersten Buch der Bibel, erzählt – und in anderen Kulturen rund um die Erde gibt es ähnliche Mythen von einem einmaligen Schöpfungsakt.

Obwohl sich einige Astronomen über die extrem große Ausdehnung des Weltraums Gedanken machten, begann dessen Erforschung eigentlich erst, nachdem Galileo (1564–1642) eines der allerersten Fernrohre gebaut hatte. Seine Entdeckungen machten deutlich, dass das Universum viele andere Welten umfasst, von denen einige unserem eigenen Planeten ähneln und möglicherweise bewohnt sein könnten. Die riesigen Ausmaße des Universums – und die Beweise dafür, dass es entstanden sein muss, lange bevor unsere eigene Spezies auf den Plan trat – wurden erst sehr viel später, im sogenannten Zeitalter der Aufklärung, erkannt. Dabei handelt es sich um jenen Zeitraum im 18. Jahrhundert, in dem viele bahnbrechende Dinge erfunden wurden, wie etwa der Gasballon und vor allem die Dampfmaschine. Diese Erfindungen lösten dann im 19. Jahrhundert technische Umwälzungen und in der Folge die industrielle Revolution aus. Während dieser Zeit der Neuerungen erforschten Geologen Gesteinsformationen, die durch Sedimentbildung in flachen Meeren entstanden waren, und gelangten zu der Erkenntnis, dass solche Prozesse offenbar nicht nur über Tausende oder gar Millionen von Jahren hinweg abgelaufen sind, sondern sich über Milliarden von Jahren hinzogen. Wissenschaftler sprechen heutzutage von Gigajahren.

Heutzutage vermuten Geophysiker, dass unser Sonnensystem und unser Planet Erde vor etwa 4,5 bis 4,6 Gigajahren entstanden sind, als das Universum, das jetzt etwa 14 Gigajahre alt ist, gute 9 Gigajahre alt war.

Menschen sind allem Anschein nach vor 50000 Jahren aus Afrika in den Rest der Welt gelangt, doch die moderne Archäologie hat ziemlich deutlich gezeigt, dass die frühen menschlichen Gesellschaften erst vor rund 6000 Jahren allmählich das entwickelten, was wir als Zivilisation bezeichnen – nämlich Wirtschaftssysteme, in denen unterschiedliche Waren ausgetauscht werden.

Ein äußerst wichtiger Faktor in jeder Zivilisation ist der Austausch nicht nur von Gütern, sondern auch von Information. Doch wie wurde diese Information aufbewahrt und verbreitet? Dazu benötigte man geeignete Aufzeichnungsverfahren.

In Stein geritzt

Eine der frühesten Methoden vor der Erfindung von Papier und Tinte bestand darin, Zeichen in Lehmtafeln zu ritzen; sie waren quasi die Vorfahren unserer heutigen Computer-Speicherchips. Dieses Sammeln und Mitteilen von Wissen, vor allem von jenem Wissen, das wir heute als wissenschaftlich bezeichnen, wurde zu einem eigenständigen Ziel.