Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Einleitung
    Wir stehen kurz vor neuen Entdeckungen. Die größten und aufregendsten Experimente in der Elementarteilchenphysik und Kosmologie sind in vollem Gange, und viele der talentiertesten Physiker und Astronomen der Welt konzentrieren sich auf ihre Implikationen. Was Naturwissenschaftler innerhalb der nächsten zehn Jahre herausfinden, könnte Hinweise liefern, die letztendlich unser Verständnis des grundlegenden Aufbaus der Materie oder gar des Raums selbst verändern werden – und vielleicht auch ein vollständigeres Bild des Wesens der Wirklichkeit ergeben. Diejenigen von uns, die sich für diese Entwicklungen interessieren, glauben nicht, dass es sich dabei um bloße postmoderne Ergänzungen handeln wird. Wir sehen Entdeckungen entgegen, die ein völlig anderes Universum des 21. Jahrhunderts für den zugrunde liegenden Aufbau des Weltalls einleiten und unser Bild seiner grundlegenden Architektur aufgrund der auf uns wartenden Einsichten verändern könnten.
    Der 10. September 2008 markierte den epochemachenden ersten Testlauf des Large Hadron Collider (LHC). Obwohl der Name – Large Hadron Collider – zwar treffend, aber einfallslos ist, gilt dasselbe nicht für die naturwissenschaftlichen Ergebnisse, die wir von ihm erwarten und die sich als spektakulär erweisen sollen. Das »large« (groß) bezieht sich auf den Teilchenbeschleuniger – nicht auf die Hadronen. Der LHC umfasst einen riesigen 26,6 Kilometer [1]   langen kreisförmigen Tunnel tief unter der Erde, der sich zwischen dem Jura-Gebirge und dem Genfer See erstreckt und die französisch-schweizerische Grenze schneidet. Mit elektrischen Feldern innerhalb dieses Tunnels werden zwei Strahlen, von denen jeder aus Milliarden Protonen besteht (die zur sogenannten Teilchenklasse der Hadronen gehören – daher der Name des Teilchenbeschleunigers), bei ihren Umläufen – die etwa elftausend Mal pro Sekunde stattfinden – beschleunigt.
    In diesem Teilchenbeschleuniger finden die in vielerlei Hinsicht größten und beeindruckendsten Experimente statt, die je gemacht wurden. Das Ziel besteht in detaillierten Untersuchungen der Struktur der Materie auf Abständen, die nie zuvor gemessen wurden, und bei Energien, die höher sind als alles, was bisher erforscht wurde. Diese Energien sollen eine Reihe exotischer Elementarteilchen erzeugen und Wechselwirkungen nachweisen, die früh in der Entwicklung des Universums auftraten – etwa eine Billionstel Sekunde nach dem Urknall.
    Die Konstruktion des LHC führte sowohl die menschliche Erfindungsgabe als auch die Technik an ihre Grenzen, und seine Verwirklichung hatte mit noch viel weitreichenderen Hindernissen zu kämpfen. Zur großen Enttäuschung von Physikern und allen anderen, die an einem besseren Verständnis der Natur interessiert sind, löste eine schlecht ausgeführte Lötverbindung nur neun Tage nach dem vielversprechenden ersten Lauf des LHC eine Explosion aus. Als der LHC seine Arbeit im Herbst 2009 wieder aufnahm – und besser funktionierte, als irgendjemand zu hoffen wagte –, wurde das Versprechen eines Vierteljahrhunderts wahr.
    Im Frühling desselben Jahres wurden die Satelliten »Planck« und »Herschel« in Französisch-Guayana gestartet. Ich erfuhr von der Zeitplanung durch eine begeisterte Gruppe von Caltech-Astronomen, die sich am 13. Mai um 5 Uhr 30 in Pasadena trafen, wo ich gerade zu Besuch war, um diesem historischen Ereignis aus der Ferne beizuwohnen. Der Herschel-Satellit wird Einblicke in die Bildung von Sternen geben, und der Planck-Satellit wird detaillierte Informationen über die Hintergrundstrahlung aus der Zeit des Urknalls liefern – und damit neue Informationen zur Frühgeschichte unseres Universums. Satellitenstarts wie diese sind zwar gewöhnlich aufregend, aber auch mit großer Anspannung verbunden, weil zwei bis fünf Prozent fehlschlagen und dadurch Jahre der Arbeit an maßgefertigten naturwissenschaftlichen Instrumenten in diesen Satelliten zerstören, wenn sie auf die Erde herabstürzen. Glücklicherweise verlief dieser besondere Start äußerst gut, und den ganzen Tag lang wurden Informationen zurückgesandt, die den Erfolg des Starts bestätigten. Aber dennoch werden wir einige Jahre warten müssen, bevor uns diese Satelliten ihre wertvollsten Daten über die Sterne und das Universum zur Verfügung stellen.

    Die Physik stellt jetzt einen festen Bestand an Wissen darüber bereit, wie das Universum über ein äußerst großes Spektrum von