Rätsel der Physik: Die großen Fragen der Forschung

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Am Large Hadron Collider zeigen sich winzige Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie

Warum existiert mehr Materie als Antimaterie?

Im Urknall existierte allein Energie. Dann kühlte sich das Universum ab und aus der Energie bildeten sich stets paarweise Materie sowie ihr Gegenstück, die Antimaterie. Treffen beide wieder aufeinander, vernichtet sich das Paar zurück zu Licht. Unzählbar oft lief dieses Entstehen und Vernichten in der Frühzeit ab. Schließlich blieb unser Universum übrig, das, so weit die Teleskope blicken, allein aus Materie besteht. Etwas muss passiert sein, dass die Materie die Oberhand über die Antimaterie gewann.
Zwar zeigen sich bei Teilchenkollisionen wie am Large Hadron Collider (Bild) Prozesse, in denen sich Materie und Antimaterie leicht unterschiedlich verhalten. Doch das reicht nicht aus, um die schiere Menge an Materie zu erklären. Um zu prüfen, ob Antimaterie doch nicht die perfekten Spiegelbilder der Materie sind, stellen Experimente daher eigens Antimaterie her.

⇒ Unser Podcast-Tipp zu Antimaterie

Am Anfang war das Universum unendlich heiß und vollgepackt mit Energie. Dann dehnte sich der Raum schlagartig aus, das Universum kühlte ab, die ersten Atome, Sterne und Galaxien entstanden. Was sich vor 13,8 Milliarden Jahren abspielte, kann das menschliche Vorstellungsvermögen kaum fassen. Und doch gilt der Urknall als sehr gut belegt. Nicht nur, weil sich der Raum noch immer ausdehnt, sondern weil sich am Rande des sichtbaren Universums das Nachglühen des heißen Anfangs zeigt – die kosmische Hintergrundstrahlung (Bild). Bis in die ersten Sekundenbruchteile hinein lässt sich die Entstehung des Universums rekonstruieren. Doch bis ganz an den Anfang kommt die Physik nicht, dafür sind ihre Formeln nicht gemacht. Zudem bleibt die Frage: Was war davor? Die vorläufige Antwort: Ein Davor gab es nicht, die Zeit selbst begann erst mit dem Urknall. Allerdings könnte sich unser Universum auch aus einem älteren Universum gebildet haben. Oder wir sind Teil eines größeren Ganzen, eines Multiversums. Unvorstellbar? Ja, aber nicht unmöglich! ⇒ Unser Podcast-Tipp zum Urknall

Wenn elektrischer Strom durch die Kabel in Ihrem Zuhause fließt, geht ein Teil seiner Energie ungenutzt als Wärme verloren, denn die Leitungen haben einen inneren Widerstand. Einst schien sicher, dass solch ein Widerstand unumgänglich ist. Doch vor 110 Jahren widerlegte eine Entdeckung diese Erwartung. Bei extrem niedrigen Temperaturen zeigen manche Materialien außergewöhnliche elektrische und magnetische Eigenschaften. In ihnen fließt der Strom ohne jeden Widerstand, sie erzeugen extrem starke Magnetfelder und lassen sogar andere Magnete schweben (Bild). Solche Supraleiter finden sich schon heute in Magnetresonanztomographen oder Teilchenbeschleunigern. Sie könnten unsere Welt aber noch weitaus mehr revolutionieren: Die Träume reichen von der Magnetschwebebahn bis zur Kernfusion. Doch dazu müssten die Supraleiter auch bei alltäglichem Druck und Temperaturen funktionieren. Zuletzt häuften sich Skandale um das lang ersehnte Wundermaterial. Und doch scheint die Zeit reif zu sein für die Entdeckung.

Lange Zeit wirkten Schwarze Löcher wie ein Trugschluss von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Zu grotesk wirkten sie, als dass sie wirklich existieren könnten. Mittlerweile ist klar: Sie sind real. Sie wurden fotografiert, ihre Zusammenstöße wurden gemessen, sie wurden sogar in unserer Nachbarschaft entdeckt. Das Rätsel der Schwarzen Löcher ist dadurch aber nicht kleiner geworden. Denn bislang wissen wir nur, wie Schwarze Löcher von außen erscheinen: als eine Region in der Raumzeit, aus der nichts zurückkehrt, was einmal hineingefallen ist. Was im Inneren passiert, entzieht sich unserem Zugang. Dabei haben Forschende zahlreiche Fragen: Existiert im Inneren von Schwarzen Löchern eine Singularität? Welche Rolle spielt in ihnen die Quantenphysik? Und wenn sich Schwarze Löcher auflösen, gehen dann all die Informationen verloren, die dort zuvor hineingefallen sind? Oder gibt es doch noch einen Weg zurück aus dem Raumzeit-Schlund? ⇒ Unser Podcast-Tipp zu Schwarzen Löchern

Die Zeit tickt unaufhörlich. Versuchen wir uns einen Augenblick zu vergegenwärtigen, ist er schon vergangen. Die Physik konnte das Mysterium Zeit bislang nicht ergründen. Im Gegenteil, sie offenbarte neue Wunderlichkeiten, vor allem in der Relativitätstheorie. Ihr zufolge vergeht die Zeit verschieden schnell, auf Bergen schneller als in Tälern. Ob Ereignisse gleichzeitig passieren, hängt von der Beobachtungsposition ab. Im Urknall ist ein allererster Zeitpunkt denkbar, vor dem es kein "davor" gab. Raum und Zeit bilden eine Einheit, die Raumzeit; doch während man im Raum in jede beliebige Richtung hin und her reisen kann, sind Reisen in der Zeit nur in eine Richtung möglich: in die Zukunft. In der Quantenphysik hingegen ist ein Sprung in die Vergangenheit möglich, wenn auch nur auf Mikroebene. Keine Theorie konnte zudem klären, ob die Vergangenheit wirklich vergangen und die Zukunft wirklich offen ist. Manche Physiker, wie Carlo Rovelli, glauben, das Vergehen der Zeit sei bloß eine Illusion und Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft würden koexistieren. ⇒ Unser Podcast-Tipp zu Zeitreisen

Unter all den bekannten Bausteinen der Natur sind die Neutrinos die am wenigsten verstandenen. Kein Wunder, entwischen sie doch fast allen Messgeräten. In diesem Augenblick, während Sie das lesen, fliegen Abermilliarden Neutrinos durch Ihren Körper, doch merken Sie davon nichts, da die Neutrinos fast nie mit Atomen zusammenstoßen. Das wenige allerdings, was von Neutrinos bekannt ist, ist seltsam. Es existieren drei Arten, und ständig wechselt ein Neutrino seine Identität zwischen ihnen. Entgegen der Erwartung besitzen sie eine Masse, die aber winzig ist, kleiner als ein Milliardstel der Masse eines Protons. Besonders kurios: In der Quantenphysik können Elementarteilchen – salopp gesagt – "Rechtshänder" oder "Linkshänder" sein. Die Neutrinos sind aber fast ausnahmslos "Linkshänder". Für Neutrinos gelten offenbar einige Sonderregeln, die für andere Materie nicht gelten. Mit spektakulären Experimenten wollen Forschende herausfinden, warum – in der Hoffnung, dass die Neutrinos uns den Weg zu bislang unbekannter Physik weisen. ⇒ Unser Podcast-Tipp zu Neutrinos

Foto des Alls mit viel Dunkler Fläche und vereinzelten Sternen und Galaxien

Grafik, wie sich das Universum vom Urknall bis heute entwickelte

Die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik haben sich ihre Reviere eigentlich gut aufgeteilt: Die eine herrscht über die große Raumzeit, die andere über die kleinen Materiebausteine. Nur selten kommen sich beide in die Quere, beispielsweise im Urknall oder im Inneren Schwarzer Löcher. Dann aber sind die Theorien sich uneinig und liefern nur noch unsinnige Ergebnisse. Beide widersetzen sich jedem Versuch, sie zu einer gemeinsamen zu fusionieren. Um es dennoch zu schaffen, so glauben einige Physiker und Physikerinnen, müsse man den Raum neu denken. Er müsse den Gesetzen der Quantenphysik unterworfen werden. Womöglich zeige sich dann, dass Raum und Zeit aus etwas noch Fundamentalerem entspringen. Die Fusion beider Theorien wäre ein wichtiger Zwischenschritt zum Langziel der Physik: die Weltformel zu finden, eine Formel, die alles erklärt.

27. Februar 2021,00:15

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