Schwarze Löcher aus eigener Produktion?

24. Juni 2008

In der Nähe von Genf wird in wenigen Wochen das bisher größte naturwissenschaftliche Experiment der Menschheit starten. Es handelt sich um einen Teilchenbeschleuniger, also um ein Gerät, dass Elementarteilchen mit extrem viel Bewegungsenergie versieht und dann aufeinander schießt. Der neue Beschleuniger wird in der Lage sein, Protonen auf 14 TeV zu beschleunigen.

14 TeV? Bahnhof? Da wohl nicht jeder eine anschauliche Vorstellung von der Energieeinheit Elektronvolt (Abkürzung eV) haben dürfte, muss ich hier etwas ausholen. Protonen und andere Elementarteilchen sind ja bekanntlich recht winzig. Deshalb muss man, wenn man mit Protonen arbeiten will, auch mit sehr geringen Energiemengen rechnen können. Dafür ist die gesetzliche Energieeinheit Joule einfach zu groß und zu unpraktisch. Der Elementarteilchenphysiker rechnet in eV und ist glücklich damit.

Der Nichtphysiker braucht erst mal einen Größenvergleich. 14 TeV, also 14 Teraelektronvolt oder 14 Billionen Elektronvolt entspricht etwa 2,2 µJ, also 2,2 millionstel Joule. Damit ließe sich eine Armbanduhr etwa 2 Sekunden lang betreiben. Das klingt nach nicht viel, was daran liegt, dass wir uns nicht vorstellen können, wie winzig ein Proton ist.

So hat z. B. ein einzelnes Stickstoffmolekül bei Raumtemperatur eine Wärmeenergie von gerade mal 0,03 eV. Ein Photon des sichtbaren Lichtes liegt bei etwa 2 eV. Chemische Reaktionen liefern ähnlich große Energien.

Wesentlich größer sind die Werte bei der Kernenergie. Bei einer einzelnen Kernspaltung, wie sie z. B. in Kernkraftwerken auftritt, werden insgesamt 200 MeV, also 200 Millionen Elektronvolt frei. Weil der gespaltene Uran- oder Plutoniumkern aber sehr schwer ist, verteilt sich diese Energie auf weit über 200 einzelne Elementarteilchen. Die größte Einzelenergie finden wir bei der Kernfusion, wie sie ständig in der Sonne stattfindet und mittlerweile auch unter kontrollierten Bedingungen auf der Erde möglich ist. Hier bekommt ein einzelnes Neutron, das etwa genau so groß und schwer wie ein Proton ist, eine Energie von 14 MeV.

Zur Erinnerung: Der neue Teilchenbeschleuniger wird 14 TeV erreichen. Das ist eine Million mal die Energie, die bei einer Kernfusion frei wird. Vielleicht wird jetzt etwas anschaulicher, was diese Energie für ein einzelnes Proton bedeutet.

Der Aufwand der dafür betrieben wird, ist enorm. Die Protonen laufen in einem Ring mit 27 Kilometern Umfang. Extrem kräftige, supraleitende Elektromagnete zwingen sie, auf der Kreisbahn zu bleiben. Damit das funktioniert, muss die ganze Apparatur auf –271 °C abgekühlt werden. Für den Beschleunigerring und die zugehörigen Messapparaturen wurden und werden insgesamt mehr als drei Milliarden Euro investiert.

Da fragt man sich doch: Wozu das Ganze?

Nun, im Grunde ist die ganze Elementarteilchenphysik zur Zeit in einer recht unangenehmen Lage. Man hat in den vergangenen Jahrzehnten an vielen Experimenten unglaublich viel über die Elementarteilchen, und damit über die Struktur der Materie an sich gelernt. Zuerst sah die Sache ja recht übersichtlich aus. Es gab die Elektronen, die Protonen und die Neutronen, dazu noch die Photonen als Vermittler elektromagnetischer Kräfte. Die Forschung ging aber weiter, und im Laufe der Zeit kamen Neutrinos dazu, verschiedene Myonen und Mesonen und noch einige Teilchen mehr. Später konnte man in den Protonen und Neutronen eine Substruktur aus Quarks entdecken. Diese ließen sich wiederum zu neuen, noch unbekannten Teilchen zusammensetzen. Je genauer man hinschaute, desto unübersichtlicher wurde die Situation. Ein Fass ohne Boden. Man brauchte eine neue Vorstellung der Materie an sich.

Um wirklich zu verstehen, was die modernen Elementarteilchenphyiker so treiben, bräuchte man ein solides Verständnis einiger recht skurriler Bereiche der modernen Mathematik. Da ist viel von irgendwelchen Gruppen und Eichgruppen die Rede, und von Symmetrie und Symmetriebrechung. Diese Kenntisse habe ich nicht. Aber aus einer Reihe von populärwischenchaftlichen Büchern und Artikeln ist ein gewisser Eindruck bei mir hängen geblieben, den ich im Folgenden mal skizzieren möchte — auch auf die Gefahr hin, dass ich falsch liege:

Die Materie ist, so wird angenommen, vergleichbar einem großen See. Wenn viel Wasser da wäre, will sagen, wenn überall viel Energie wäre, hätten wir einen schönen, großen und zusammenhängenden See, also eine schöne gleichmäßige Struktur der Materie vor uns. Allerdings ist das Energieniveau im Universum so niedrig, dass wir einen fast ausgetrockneten See vor uns haben. Es sind nur einzelne Pfützen übrig, will sagen, die Materie besteht fast ausschließlich aus ein paar wenigen Typen von Elementarteilchen. Der niedrige „Wasserstand“ hat auch zur Folge, dass der „See“ an Materie nicht schön gleichmäßig verteilt ist, sondern sich an wenigen Stellen sammelt. Die Materieverteilung im Universum ist recht ungleichmäßig und „klumpig“

Wenn sich bei einem fast ausgetrockneten See bestimmte Pfützen bilden, dann nicht deshalb, weil es bevorzugte Formen von Pfützen gibt, sondern weil der See eine bestimmte Struktur hat und die Form und Größe der letzten übrig gebliebenen Pfützen vorgibt. Und wenn unser Universum in weiten Teilen aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht, dann nicht deshalb, weil diese Teilchen etwas besonderes sind, sondern weil die Materie als Ganzes eine Struktur hat, die bei geringer Energie zu solchen Ausprägungen führt.

Über den Materie-See bei niedrigem Wasserstand (also bei niedrigem Energieniveau) wissen die Naturwissenschaftler schon sehr viel. Und natürlich machen sie sich seit Jahrzehnten Gedanken darüber, wie der See denn als Ganzes aussehen könnte, so dass er bei Niedrigwasser genau die bekannten Strukturen hervorbringt. Dummerweise sind sie auf zahlreiche verschiedene Theorien gekommen, die sich teilweise widersprechen. Und dummerweise kann man nur unterscheiden, welche von diesen Theorien richtig ist, wenn der Wasserstand hoch ist. Das ist die (unangenehme) Lage der Elementarteilchenphysik zur Zeit.

Das ist aber genau das, worum es bei dem neuen Teilchenbeschleuniger gehen wird. Der Teil des Materie-Sees, den man darin beobachtet, wird winzig sein. Aber für diesen winzigen Teil wird der Wasserstand so extrem hoch sein, dass man endlich mal wieder etwas Neues erkennen kann.

Mit einer dieser möglichen neuen Erkenntnisse ist das Projekt in letzter Zeit besonders populär geworden. Manche der beteiligten Wissenschaftler glauben nämlich, dass die Energie ausreicht, um winzige Schwarze Löcher zu erzeugen.

Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn Materie so sehr zusammengepresst wird, dass sie sich hinter ihrer eigenen Schwerkraft verstecken kann. Die innere Struktur — falls noch eine existiert — ist dann von außen vollkommen unsichtbar. Das Schwarze Loch ist nur über seine Wirkung auf andere Objekte in der Nähe zu erkennen.

Im Grunde sind Schwarze Löcher die langweiligsten Objekte des Universums. Sie haben eine Masse, eine Ladung und einen Drehimpuls. Damit sind sie vollständig beschrieben. Keine weiteren Eigenschaften. Interessant sind sie für die Wissenschaftler nur, weil durch die extreme Schwerkraft Effekte sichtbar werden, die man sonst nicht beobachten kann. In der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Loches kann sehr viel Energie frei werden. Hoher Wasserstand sozusagen. Nur um die Größenordnung zu verdeutlichen: Um aus der Erde ein Schwarzes Loch zu machen, müsste man sie auf 18 mm Durchmesser verdichten.

Das Schwarze Loch im Teilchenbeschleuniger wäre noch viel, viel kleiner. Und das ist das Spannende: Eigentlich wäre es zu klein. Nach den herkömmlichen Regeln gibt es eine Mindestgröße für Schwarze Löcher. Und um die zu erreichen, müsste der Teilchenbeschleuniger noch mal eine Billion mal mehr Energie auf die Protonen packen können. So ein Gerät wäre vermutlich so groß wie unser Sonnensystem.

Die herkömmlichen Regeln sind die der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, nach denen es fünf schön glatte und weiträumige Dimensionen gibt. Aber warum sollte mit fünf Dimensionen Schluss sein? Viele Naturwissenschaftler gehen davon aus, dass es noch ein paar Dimensionen mehr gibt, die aber ganz eng zusammengefaltet sein müssen. Das Schwarze Loch könnte sich dann sozusagen in diese Falten einwickeln und durch einen wundersamen mathematischen Trick doch größer erscheinen, als es ist. Dadurch könnte die Mindestgröße für Schwarze Löcher wesentlich kleiner sein als bisher gedacht. Klein genug für den neuen Teilchenbeschleuniger.

Um im Bild zu sprechen: Man möchte wissen, ob die Oberfläche des Materie-Sees schön glatt oder ein wenig gekräuselt ist. Dass kein großer Wellengang möglich ist, wissen wir schon auf Grund der Beobachtungen bei den Pfützen. Die zusätzlichen Dimensionen können nicht weiträumig ausgebreitet sein. Aber kleine Unebenheiten sind nach den bisherigen Erkenntnissen möglich. Winzig kleine Wellen sozusagen, die dennoch die Oberfläche des Sees entscheidend vergrößern könnten. Und wenn im Teilchenbeschleuniger Schwarze Löcher nachgewiesen werden können, muss es diese Kräuselungen, diese zusätzlichen Dimensionen geben.

Manche Wissenschaftler behaupten nun, so ein schwarzes Loch auf der Erde könne gefährlich werden. Es könne anfangen, weitere Materie in sich aufzunehmen, und schließlich die ganze Erde zerstören. Dieser Einwand verdient natürlich, ernst genommen zu werden. Und er wird auch ernst genommen. Das Problem ist, dass man schon einen sehr tiefen Einblick in die modernen Physik braucht, um die verschiedenen Argumente und Berechnungen verstehen, geschweige denn nachprüfen zu können. Denn es wird auf der einen Seite immer Wissenschaftler geben, die ihr eigenes Lieblingsprojekt schön rechnen. Und auf der anderen Seite wird es immer Wissenschaftler geben, die bereitwillig Katastrophenszenarien entwerfen, wenn sie damit in die Zeitung und ins Fernsehen kommen. Eine wirkliche Meinung kann man sich als Laie eigentlich nicht bilden.

Aus meiner laienhaften Sicht nur so viel: Zuerst muss es mal zu einem Schwarzen Loch kommen. Selbst wenn es diese zusätzlichen Dimensionen gibt, heißt das nicht automatisch, dass sie die Existenz von so kleinen Schwarzen Löchern ermöglicht. Wenn es nun zum Schwarzen Loch kommt, geht man davon aus, dass es instabil ist und augenblicklich zu Strahlung zerfällt. Die Wissenschaftler erwarten, dass sie nur an der speziellen Verteilung dieser Strahlung erkennen können, dass es für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde ein Schwarzes Loch gegeben hat. Wenn sich jetzt diese Wissenschaftler alle irren und das Schwarze Loch stabil bleibt, dann wird es die Erde sofort verlassen. Die Bewegungsenergie, die es dazu braucht, ist absolut winzig gegenüber dem Energieniveau im Teilchenbeschleuniger. Dass das Schwarze Loch nach seiner Entstehung so langsam ist, dass es im Schwerefeld der Erde gefangen bleibt, ist so extrem unwahrscheinlich, dass man den Fall vernachlässigen kann. Und selbst wenn es wider alle Erwartungen doch entsteht, stabil ist und hier bleibt, gehen viele Wissenschaftler davon aus, dass es immer noch viele hunderte Millionen oder gar Milliarden Jahre dauern wird, bis es genügend Schaden angerichtet hätte, dass wir das spüren würden. Bis dahin hätte die wachsende Sonne längst alles Leben auf der Erde unmöglich gemacht. Mit anderen Worten: Wenn uns so ein Schwarzes Loch gefährlich würde, hätten die Mehrheit der beteiligten Physiker gleich in mehreren wichtigen Punkten grundlegend daneben gelegen. Bei aller Fehlbarkeit der Wissenschaft scheint mir das dann doch etwas zu weit her geholt.

Ich persönlich würde mir über die Schwarzen Löcher in einem Labor in der Nähe von Genf keine Sorgen machen. Es gibt so viele andere Ereignisse, die alles menschliches Leben auf diesem Planeten vernichten könnte. Nicht zuletzt haben wir es vor etwa einem halben Jahrhundert erreicht, dass wir so ein Ereignis auf Knopfdruck selbst erzeugen können. Laut Wikipedia gab es im Kalten Krieg mindestens 20 sehr gefährliche Ereignisse, die einen Atomkrieg hätten auslösen können. Und das Arsenal an Kernwaffen hat immer noch — umgerechnet auf die komplette Menschheit — eine Sprenkraft von mehr als einer Tonne TNT pro Person. Angst vor einem Schwarzen Loch mit weniger als einem Millijoule Energie? Wenn wir sonst keine Sorgen haben …

Bleibt die Frage nach dem Aufwand: Warum investiert man Milliarden, nur um ein paar zusätzliche, eng zusammengefaltete Dimensionen zu entdecken? Nun, dazu fallen mir schon ein paar Gründe ein.

Als erstes fällt bei ambitionierter Grundlagenforschung immer etwas für den technischen Alltag ab. Ohne die Erfahrungen mit den Teilchenbeschleunigern wären manche moderne diagnostische Verfahren in der Medizin wohl nicht entstanden. Und die alten Teilchenbeschleuniger, die für die Grundlagenforschung nicht mehr benötigt werden, sind alle noch im Betrieb. Man hat nämlich festgestellt, dass dabei eine besonders reine Form von Strahlung entsteht. Für die Elementarteilchenphysiker eher ein Abfallprodukt, für die Entwicklung neuer, hochbelastbarer Werkstoffe eine große Hilfe.

Außerdem wurde schon des öfteren selbst die abgehobenste Grundlagenforschung wenige Jahrzehnte später zum technischen Alltag. Ohne Einsteins allgemeine Relativitätstheorie wäre eine genaue Positionsbestimmung per GPS heute nicht möglich. Und wer seine Daten auf einem USB-Stick speichert, vertraut sie einem quantenmechanischen Effekt an. Das war alles in den zwanziger Jahren, als diese Theorien im naturwissenschaftlichen Elfenbeinturm entstanden, nicht absehbar.

Und schließlich: Sind die Geheimnisse der Natur nicht dazu da, erforscht zu werden? Gott hat uns Menschen mit einem unbändigen Forscherdrang und die Natur mit einer selbst in kleinstem Maßstab höchst komplexen und immer wieder überraschenden Struktur ausgestattet. Warum sonst, als dass wir mit dem einen das andere entdecken sollten? Wer in bisher unbekannte Strukturen der Materie vordringt, enthüllt zugleich bisher unbekannte Gedanken Gottes. Wir sollten nicht den Fehler machen, in der Struktur der Materie nach theologischer Relevanz zu suchen, oder sogar nach einem Gottesbeweis oder ähnlichem Blödsinn. Aber bisher hat fast jede Erkenntnis der Naturwissenschaft das Staunen der Wissenschaftler vergrößert. Das sagt doch auch etwas über Gott aus, oder?

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