Schwarzes Loch
Schwarzes Loch vor der Milchstraße
Bild: Computersimulation von Ute Kraus
Creative Commons Lizenz (wikipedia)

Schwarzes Loch

Wird die Erde bei Experimenten des LHC am CERN
in Genf durch Schwarze Löcher zerstört?

Darauf gibt es eine ganz einfache und eindeutige Antwort:
Höchstwahrscheinlich nicht!

Am Europäischen Labor für Teilchenphysik (Atomkernforschung) wurde schon 1957 der erste Teilchenbeschleuniger in Betrieb genommen. In einem unterirdischen ringförmigen Rohr wird ein Vacuum erzeugt; geladene Teilchen werden in ein Magnetfeld eingeschlossen und auf große Geschwindigkeiten beschleunigt. Nachdem sie die gewünschte Geschwindigkeit erreicht haben, lässt man sie kollidieren. Dies geschieht in einem Detektor, der festhält, was dabei passiert. Im Lauf der Jahre baute man immer größere Beschleuniger und immer bessere Detektoren. 1989 schließlich wurde ein neuer, 27 km langer Ring in Betrieb genommen, der Large Electron-Positron Collider (LEP) für Kollisionen von Elektronen und Positronen. 1996 konnte man damit zum ersten Mal Antimaterie erzeugen. Um die Jahrtausendwende wurde im Tunnel des LEP schließlich der Large Hadron Collider (LHC) installiert, in dem man Protonen mit 14 TeV (Tera-Elektronenvolt = 1 Billion Elektronenvolt) und Blei-Ionen (Blei-Atomkerne) mit 5,52 TeV zusammenstoßen lassen will. Das hört sich auf den ersten Blick nach viel an, da Elektronenvolt aber eine sehr kleine Einheit ist, ist es eigentlich wieder wenig (1 eV = 1,6 * 10 -19 Joule oder Wattsekunden). Diese Energie wird jedoch als kinetische Energie (Bewegungsenergie) auf Teilchen übertragen, für die die Bezeichnung "winzig" noch stark untertrieben ist. Deshalb ist es für jedes dieser Teilchen wiederum unheimlich viel. Die Röhre ist längst fertig, aber das Innere musste auf ca. -271° Celsius abgekühlt werden, damit die ca. 1200 Elektromagnete supraleitend werden und mit einem Strom von 13 000 Ampere ein Ringförmiges Magnetfeld erzeugen können, das die mit fast Lichtgeschwindigkeit kreisenden Teilchen einschließt. Man erhofft sich davon neue Erkenntnisse über Beschaffenheit und Ursprung unserer Materie. Ende 2008 plante man den ersten großen Versuch. Durch einen Defekt in der Anlage, den Quench eines supraleitenden Magneten, hat sich die Inbetriebnahme jedoch verzögert. Am 30. März 2010 konnte der LHC dann in Betrieb genommen werden, das Endziel von 14 TeV, die mittels zwei gegenläufigen Strahlen von je 7 TeV¹ erreicht werden sollen, lag jedoch noch in weiter Ferne. Nach einer zweijährigen Pause für Umbauarbeiten mit einer wie immer langen Abkühlungsphase auf minus 271° Celsius konnten im Jahr 2015 erstmals Kollisionen mit 13 TeV erzeugt werden. Prof. Dr. Volker Büscher vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz sagte, dass wir einer aufregenden Zeit entgegensehen, die uns in noch völlig unbekannte Bereiche führen könnte.

Den aktuellen Stand erfährt man unter  www.lhc-facts.ch, wenn man "News <Datum>" anklickt. In verschiedenen Diagrammen kann man u.a. die Energie der Teilchenstrahlen in GeV (Giga-Elektronenvolt) ablesen. Der Graph des einen Strahls ist blau, der des anderen rot gezeichnet. Die Kollisionsenergie ist die Summe aus beiden.¹ 1000 GeV entsprechen 1 TeV, das Endziel von 14 TeV entspräche also 14 000 GeV. Wird uns das grundsätzliche neue Einsichten bringen können?
Tunnel des Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf
Tunnel des Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf
Foto: Julian Herzog, Creative Commons Lizenz (wikipedia)

Andromedanebel oder Andromeda-Galaxie - Im Zentrum solcher Galaxien vermutet man Schwarze Löcher
Andromeda-Galaxie oder Andromedanebel
Foto: nasa.gov
Eigentlich ist das nichts grundlegend Neues. Schon seit 50 Jahren baut man hier immer leistungsfähigere Beschleuniger und lässt Teilchen mit ungeheuerer Wucht zusammenstoßen. Das besondere diesmal ist, dass jetzt Energien eingesetzt werden, die kleine Schwarze Löcher entstehen lassen, was auf den ersten Blick recht erschreckend klingt.

Was ist denn nun ein Schwarzes Loch?
Erst mal ganz grob gesagt, eine Anhäufung von Materie auf kleinstem Raum, deren Anziehungskraft so groß ist, dass ihr ab einer bestimmten Entfernung, dem Ereignishorizont, nichts mehr entfliehen kann, nicht mal das Licht, deshalb "schwarz". Da die Atome, ebenso wie das Weltall, größtenteils aus leerem Raum bestehen, lassen sie sich theoretisch sehr stark zusammendrücken. Die Erde hätte in kompakter Form den Durchmesser eines Golfballs, die gesamte Schwerkraft wäre auf einem Punkt konzentriert und unvorstellbar stark. Da Schwarze Löcher immer mehr Masse aus ihrer Umgebung anziehen, wachsen sie immer mehr an. Man nimmt an, dass sich im Zentrum von Galaxien Schwarze Löcher befinden, um die sich die Abermillionen Sterne spiralförmig drehen und eines Tages hineinstürzen wie das Wasser in den geöffneten Abfluss der Badewanne.

Massen ziehen sich an. Für uns heute selbstverständlich, ist diese Erkenntnis mit großen Namen der Physik und Astronomie verbunden. Was hindert die Erde denn nun daran, unter ihrer eigenen Anziehungskraft in sich zusammenzustürzen und sich in ein schwarzes Loch zu verwandeln. Der Grund sind andere Kräfte, die abstoßend wirken und dies verhindern. Ein kompliziertes Zusammenspiel verschiedener, im ganzen Weltall überall gleicher Kräfte. Würde nur eine davon um einen winzigen Wert abweichen, sähe unsere Welt ganz anders aus, oder es gäbe sie vielleicht überhaupt nicht. Die Wissenschaftler dringen immer mehr ins Allerkleinste vor, aber bei jeder Entdeckung, jedem neuen Teilchen, tun sich wieder neue Rätsel auf. Für weitere Erkenntnisse müssen immer größere Energien eingesetzt werden.

Besteht nun die Gefahr, dass mit den erzeugten sehr winzigen Schwarzen Löchern, etwas entsteht, das immer mehr Materie anzieht, vielleicht sogar die ganze Erde verschlingt?

Die erzeugten Schwarzen Löcher sollen sehr klein sein. Man vermutet einen Durchmesser von ungefähr 2 · 10 -18  m. Das ist zwar extrem klein, aber immer noch viel größer als die Planck-Länge (1,6 · 10 -35  m), jenseits derer Raum und Zeit nicht mehr gelten. Würden sich diese Mini-Blackholes verhalten wie ihre großen Brüder und immer mehr Materie anziehen und in sich aufnehmen, würden sie immer mehr wachsen und schließlich die ganze Erde verschlingen. Verschiedene Wissenschaftler warnen davor, dass diese Entwicklung, einmal in Gang gesetzt, durch nichts mehr aufzuhalten wäre. Warum macht man trotzdem diese Experimente?

Die Wissenschaftler am CERN sagen, die entstehenden winzigen Schwarzen Löcher sind nicht mit den Monstern im Weltall zu vergleichen, man sollte sie vielleicht nicht einmal so nennen. Im Vergleich zu den Dimensionen im Weltall entspräche das Experiment "der Kollision zweier Mücken im Flug". Wieviel Masse ein solches Schwarzes Loch haben muss, um beständig zu sein, weiß jedoch niemand. Auch das geben sie zu. »Auf jeden Fall viel mehr« ist die einzige seriöse Aussage, die ich dazu gehört habe.

Dem Physiker  Stephen W. Hawking zufolge geben Schwarze Löcher sogenannte Hawking-Strahlung ab. Sehr kleine "verdampfen" also quasi, bevor sie größeren Schaden anrichten können, und zwar in 10 -33 Sekunden. Viel schneller, als dass sie neue Materie ansaugen könnten, aber immer noch im Bereich oberhalb der Planck-Zeit 5,4 · 10 -44  Sekunden, jenseits derer die bekannten Gesetze der Physik nicht mehr gültig sind. Das Ganze ist jedoch eine Theorie. Noch niemand hat den Zerfall eines solchen Mini-Blackholes je beobachtet oder gemessen.

Mit Hilfe der sogenannten Schwarzschild-Metrik (nach Karl Schwarzschild, der 1916 die entsprechende Formel fand) kann man berechnen, auf welche Größe man einen bestimmten Körper zusammendrücken muss, damit er zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Für die  Erde wäre dieser Schwarzschild-Radius ca. 9 mm, für die  Sonne 2,9 km! Damit man den entstehenden Körper "Schwarzes Loch" nennen kann, muss der Ereignishorizont außerhalb des Körpers liegen. Nur so kann weitere Masse oder Licht diesen erreichen und eingesaugt werden. Im Großen lässt sich das einigermaßen berechnen. Ob die Berechnungen auch auf die sehr kleine Welt der Atome und Elementarteilchen übertragen werden kann, ist fraglich. Was man einfach nicht weiß: Wie groß muss ein zu kompakter Masse zusammengedrückter Körper mindestens sein, um einen beständigen Ereignishorizont ausbilden zu können. Und falls dies auch sehr kleine Körper können, weiß man nicht, ob nicht andere abstoßende Kräfte verhindern, dass weitere Materie in den Ereignishorizont eindringt.

Als Beweis für die Ungefährlichkeit führt man an, dass in den äußersten Schichten unserer Atmosphäre die Kosmische Strahlung angeblich mit viel höherer Energie auf Gasteilchen trifft und dabei ständig ähnliche Miniatur-Blackholes erzeugt. Und die Erde ist trotzdem noch da. Aber auch das hat noch niemand wirklich beobachtet. Lt. CQ-DL 7/08 S. 483 haben z.B. die Teilchen des Sonnenwindes eine Geschwindigkeit von nur(!) 300 bis 800 km pro Sekunde, was gegen die Geschwindigkeiten im Large Hadron Collider geradezu mikrig ist (man will 99,9999991% der Lichtgeschwindigkeit von 299792,458 km pro Sekunde erreichen). Ob tatsächlich Hadronen (Neutronen oder Protonen) mit solcher Geschwindigkeit auf die äußere Atmosphäre treffen und was dabei passiert, ist noch sehr wenig erforscht. Wie es aussieht, kommt ausgerechnet die energiereichste Strahlung von sehr weit entfernten Objekten, also nicht von der Sonne. Durch die hochenergetische kosmische Strahlung wird z.B. das bekannte C-14 erzeugt, mit dessen Hilfe man feststellen kann, wann eine Pflanze oder ein Tier aufgehört hat, Kohlenstoff aufzunehmen, also gestorben ist. Alle Messergebnisse, die von Energien bis zu 10 21 eV sprechen, sind indirekte Beobachtungen, von denen man auf die eigentlichen Ereignisse zurückschließt. Andere Physiker setzen aufgrund theoretischer Überlegungen 6 × 10 19 eV als Obergrenze an. Ein solches Ereignis tatsächlich beobachtet und gemessen hat noch niemand. Selbst die Messungen in Satelliten erfolgen mit Detektoren, die die ursprünglichen Ereignisse nur über Umwege erfassen.

Die Teilchen mit der höchsten Energie erreichen uns komischerweise ausgerechnet von sehr weit entfernten Objekten. Das bekannteste ist wohl der Blasar (oder Blazar) Markarian 501. Man nimmt an, dass es sich um eine Galaxie handelt, deren Drehachse zufällig genau auf uns weist. In Richtung der Drehachse entweicht nämlich die Energie aus dem Schwarzen Loch im Zentrum, gebündelt wie ein überdimensionaler Laser. Da Markarian 501 aber ca. 300 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist, müsste der Strahl auf seinem weiten Weg eigentlich Energie verlieren, weil seine Photonen oder hochenergetischen Teilchen mit der kosmischen Hintergrundstrahlung und anderem wie der dunklen Materie, der dunklen Energie oder Neutrinos zusammenstoßen oder zumindest in Wechselwirkung treten. Warum dies nicht der Fall ist, darüber gibt es nur Vermutungen und Theorien. Auch woraus dieser Strahl genau besteht, darauf lässt sich nur indirekt schließen, niemand weiß es genau, da man die großen Detektoren, wie sie z.B. im LHC eingesetzt werden, nicht einfach ins Weltall schaffen kann. Und selbst wenn das möglich wäre, kommen die Teilchen zu dünn verteilt an, um sie genau untersuchen oder kontrollierte Kollisionen herbeiführen zu können. So ist die hochenergetische kosmische Strahlung (noch) genauso geheimnisvoll wie die nur kurz dauernden kosmischen Gammablitze, die allerdings im Gegensatz zur vorgenannten kosmischen Strahlung aus elektromagnetischer Strahlung bestehen und für deren Ursprung auch nur Vermutungen existieren.

Beim Gammastrahlenausbruch  GRB 130427A im April 2013 wird von einem Rekord gesprochen, weil dort Photonen mit 95 GeV (Giga-Elektronenvolt) gemessen wurden. Wenn das kein Schreibfehler ist, stimmen obige Behauptungen nicht:
•  Zielenergie des LHC: 14 TeV (14 · 10 12 Elektronenvolt)
•  Gammastrahlenausbruch: 95 GeV (95 · 10 9   Elektronenvolt)

Wie kann die Energie von 95 GeV ein Rekord sein, wenn angeblich ständig Teilchen mit vergleichbarer Energie wie im CERN auf die Erdatmosphäre treffen?

Den Gegnern der Experimente am CERN wirft man Populismus vor. Inwieweit das stimmt und wie seriös die beiderseitigen Argumente sind, kann niemand sicher beurteilen. Die möglichen Szenarien reichen vom Weltuntergang bis zur Entdeckung unerschöpflicher Energiequellen. Die Wissenschaftler geben aber auch zu, dass sie natürlich nicht genau wissen, was passieren wird, sonst bräuchten sie die Versuche ja nicht zu machen! Man erhofft sich Antworten auf sehr grundsätzliche Fragen, z.B. warum beim Urknall nicht Materie und Antimaterie in gleichem Verhältnis entstanden und sich gegenseitig wieder auslöschten, oder warum Teilchen überhaupt eine Masse besitzen und damit im Zusammenhang ein besseres Verständnis der noch immer geheimnisvollen Gravitation. Außerdem hofft man, endlich die in den 60er Jahren von dem britischen Physiker Peter Higgs vorhergesagten Higgs-Teilchen oder Higgs-Bosonen nachzuweisen (im Jahr 2012 offenbar geglückt) oder Dunkle Materie, aus der etwa 80% des Universums bestehen soll, die aber bisher nur indirekt nachgewiesen wurde. Es könnte auch sogen. Seltsame Materie (Exotische Materie oder seltsame Teilchen) entstehen (siehe Linkliste)2 von der niemand weiß, wie sie sich verhält. Am 4.Juli 2012 fand man erste Hinweise auf ein erzeugtes Higgs-Boson, die mit allerdings noch sehr vage erscheinen.

Sollten wir wegen der vielen Unsicherheiten und Gefahren dieses Spiel mit der Büchse der Pandora nicht lieber lassen?

In erster Reihe der Gegner stehen der US-Physiker Walter Wagner, der Tübinger Professor Dr. Otto Rössler und ein Spanier, Luis Sancho, der "Zeitforscher" genannt wird, was immer das heißen mag. Die beiden ersten haben Klage gegen die Europäische Organisation für Kernforschung eingereicht, um den Versuch zu verhindern. Dr. Rössler (lt. Hamburger Abendblatt) schlug vor, die Versuche höchstens irgendwann auf dem Mond zu wagen. Sollte dieser zerstört werden, würde die Erde halt von einem Schwarzen Loch umkreist, das wäre auch ganz schön. Aber das Risiko einer Zerstörung der Erde sollte man nicht eingehen, auch wenn die Wahrscheinlichkeit noch so gering ist.

Sie werden die Versuche nicht verhindern können. Die forschende Neugier des Menschen ließ sich noch nie begrenzen. Sollte Stephen Hawking sich geirrt haben, ist nach kurzer Zeit sowieso niemand mehr da, der sich beschweren könnte. Der Mond würde um ein schwarzes Loch kreisen und nach vielen Jahrmillionen ebenfalls hineinstürzen. Alles miteinander würde nach einigen Milliarden Jahren von der Sonne verschlungen und diese wiederum nach noch viel längerer Zeit vom Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Nichts würde mehr an die Menschheit erinnern, nur vielleicht ein paar Quanteneffekte, in denen unser gesamtes Wissen und Leben gespeichert ist, ein Jenseits, dem auch ein Schwarzes Loch nichts anhaben kann, nennen wir es einfach  Gott.

Ihre seltsamen Eigenschaften und die Tatsache, dass man Schwarze Löcher nicht direkt beobachten kann, haben schon früher zu wilden Spekulationen Anlass gegeben. Das  Tunguska-Ereignis vom 30. Juni 1908 zum Beispiel, welches nach allgemeiner Meinung durch den Einschlag einens Meteoriten oder Kometen hervorgerufen wurde, von dem allerdings nie auch nur eine Spur entdeckt wurde, könnte durch ein Schwarzes Loch verursacht worden sein. 1973 erschien im Wissenschaftsmagazin "Nature" ein Artikel, in dem die Möglichkeit beschrieben wird, dass sich ein aus dem Weltraum kommendes Schwarzes Loch mit großer Geschwindigkeit im Tunguska-Gebiet (Sibirien) in den Boden bohrte, die Erde durchschlug, und auf der anderen Seite in einem Ozean wieder austrat. Was auf den ersten Blick recht wirr klingt, ist physikalisch allerdings durchaus möglich. Vielleicht war dieses Schwarze Loch auch einmal ein Planet und eine Zivilisation wie die Erde ... bis sie entdeckten, wie man Schwarze Löcher erzeugt. Über die hohe Geschwindigkeit der Kollision sollten wir übrigens froh sein, denn wäre es in der Erde steckengeblieben, gäbe es uns heute nicht mehr!

Fast vierzeig Jahre später, als unter der wissenschaftlichen Leitung von Robert Oppenheimer am 16. Juli 1945 die erste Atombombe gezündet wurde, sie hieß übrigens Trinity (Dreieinigkeit, Dreifaltigkeit), hatten viele Menschen, auch Wissenschaftler, ähnliche Bedenken:
Lise Meitner und Otto Hahn hatten die Kernspaltung entdeckt, wobei erstmals nach Einsteins Formel Materie in Energie umgewandelt wurde. Da die dabei freiwerdende Energie die Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit ist, reichen ein paar Gramm umgewandeltes Uran oder Plutonium, um eine riesige Explosion zu erzeugen. Es gab damals auch Wissenschaftler, die Befürchtungen äußerten, die Bombe könnte die Atmosphäre entzünden und damit die ganze Welt zerstören, und ähnliches. Sogar der militärische Leiter des Manhattan-Projekts, General Groves, soll gesagt haben: »Wir spielen mit Kräften, die bisher nur dem Allmächtigen vorbehalten waren!« Er hat zwar irgendwie Recht, aber dieser Allmächtige hat uns auch die Neugier geschenkt, ohne sie gäbe es unsere Zivilisation nicht. Man mag das positiv oder negativ sehen, aber es ist nunmal so, wir werden es nicht ändern!

Übrigens gibt es in der Theorie auch Weiße Löcher. Während von einem Schwarzen Loch alles angezogen wird und (fast) nichts entweichen kann, lassen die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein auch Lösungen zu, die auf die Möglichkeit eines Weißen Lochs hindeuten, in das nichts hineingelangen kann, aus dem aber "etwas" entweicht oder zumindest etwas entweichen könnte. Die Tatsache, dass man so etwas bis jetzt nicht beobachtet hat, heißt nicht, dass es das nicht gibt, oder zumindest geben könnte. Bei Science Fiction Autoren ist diese Möglichkeit sehr beliebt, da man in der Theorie und Phantasie ein Schwarzes und ein Weißes Loch mit einem Wurmloch verbinden und so in Raum und Zeit reisen könnte. Würde es so etwas im Universum bereits geben, so dass die von existierenden Schwarzen Löchern eingesaugte Materie in Weißen Löchern wieder zum Vorschein käme, hätten wir es aber sicher bereits entdeckt, da dieses Objekt dann stark leuchten würde.

Aber vielleicht führen die Wurmlöcher ja in ein Paralleluniversum ... (;-))

Im Jahr 2014 meldete sich Stephen Hawking mit einer neuen Horror-Meldung zu Wort, gegen die die Zerstörung der Erde durch ein Schwarzes Loch geradezu mickrig erscheint: Das Higgs-Boson, oft als Gottesteilchen bezeichnet, könnte unter bestimmten Umständen nicht nur die Erde, sondern das ganze Universum zerstören. Es könnte einen Kollaps von Raum und Zeit bewirken! Dazu müsste es allerdings mit einer Energie von 100 Milliarden Giga-Elektronenvolt aufgeladen werden, was Gott sei Dank und hoffentlich kein Teilchenbeschleuniger je erreichen wird. Hier bewegt Hawking sich in einem Bereich, in dem sogar Wissenschaftler ernsthaft rätseln, ob er sich nicht einen Scherz erlaubt hat.

Bisher haben alle Erkenntnisse mit Teilchenbeschleunigern das Verständnis der Materie und der Welt an sich nur kompliziert. Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik und der Teilchenzoo der Physiker sind ein Musterbeispiel an Unanschaulichkeit. Würden sich die Wissenschaftler ihrem Ziel nähern, die Welt zu verstehen, müssten die Erkenntnisse hin zu Einfachheit führen. Zu einer Zahlen-Harmonie, die schon Pythagoras vor zweieinhalb Jahrtausenden anstrebte, an der er und die Pythagoräer aber verzweifelten und die wir wahrscheinlich nie erreichen werden. Statt dessen erzeugen immer neue abenteuerliche Theorien einen Wust an sogenannten Erkenntnissen. Von der Stringtheorie über die elfdimensionale (11-dimensionale!) Supergravitation bis zur M-Theorie scheint Gott die Wissenschaftler zum Narren zu halten.

Möglicherweise wird es uns immer wie Goethes Dr. Faust gehen: »Da steh ich nun, ich armer Tor, und bin so klug als wie zuvor!« Aber die Wissenschaftler werden sich an Fausts Famulus Wagner halten: »Zwar weiß ich viel, doch möcht ich alles wissen!«

¹ Bei der Feststellung, dass die doppelte Energie durch zwei gegenläufige Strahlen mit gleicher Geschwindigkeit erreicht werden soll, mag mancher vielleicht gestutzt haben. In der Energieformel E = ½ · m · v²; steht die Geschwindigkeit ja zum Quadrat; doppelte Geschwindigkeit würde also vierfache Energie bedeuten. Man darf jedoch in diese Formel nicht die Differenzgeschwindigkeit einsetzen. Ausführlich behandelt habe ich das in einer  unterhaltsamen Quizfrage mit Lösung.
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