Eine kurze Geschichte von fast allem

TEIL III EIN NEUES ZEITALTER BRICHT AN

Ein Physiker ist das Mittel der Atome, um über Atome nachzudenken.

Anonym

8. Einsteins Universum

Als das 19. Jahrhundert zu Ende ging, konnten die Wissenschaftler mit Befriedigung daran zurückdenken, dass sie die meisten Rätsel der physikalischen Welt gelöst hatten: Elektrizität, Magnetismus, Gase, Optik, Akustik, Kinetik und statistische Mechanik - um nur einige zu nennen - lagen fein säuberlich geordnet vor ihnen. Sie hatten Röntgen- und Kathodenstrahlen, Elektronen und Radioaktivität entdeckt, das Ohm, das Watt, das Grad Kelvin, das Joule, das Ampère und das kleine Erg erfunden.

Wenn man etwas in Schwingung versetzen, beschleunigen, durcheinander bringen, destillieren, zusammenfügen, wiegen oder gasförmig machen konnte, hatten sie es getan, und dabei hatten sie eine Fülle gewichtiger und majestätischer Universalgesetze gefunden: die elektromagnetische Feldtheorie des Lichts, Richters Gesetz der umgekehrten Proportionen, Charles’ Gasgesetz, das Gesetz der Vereinigung von Volumina, den Nullten Hauptsatz der Thermodynamik, den Valenzbegriff, das Massenwirkungsgesetz und zahllose andere. In der ganzen Welt ratterten und klapperten die Maschinen und Instrumente, die sie mit ihrem Erfindungsreichtum hergestellt hatten. Viele kluge Menschen waren der Ansicht, es bleibe für die Wissenschaft nicht mehr viel zu tun.

Als ein junger Deutscher namens Max Planck sich 1875 in Kiel entscheiden musste, ob er sein Leben der Mathematik oder der Physik widmen sollte, wurde er eindringlich gewarnt, er solle nicht die Physik wählen, weil alle bahnbrechenden Entdeckungen bereits gemacht seien. Man versicherte ihm, das bevorstehende Jahrhundert werde nicht von Revolutionen, sondem von Konsolidierung und Verfeinerung geprägt sein. Planck hörte nicht darauf. Er studierte theoretische Physik und stürzte sich mit Körper und Seele in die Erforschung der Entropie, eines Vorganges, der zum innersten Kern der Thermodynamik gehört und für einen ehrgeizigen jungen* Mann sehr viel versprechend zu sein schien. Als er 1891 zu Ergebnissen gelangt war, musste er zu seinem Entsetzen feststellen, dass die wichtigsten Arbeiten über die Entropie bereits existierten; der Urheber war in diesem Fall J. Willard Gibbs, ein zurückhaltender Wissenschaftler der Yale University.

Es gab vielleicht kaum einen anderen Menschen, der so intelligent war wie Gibbs und dennoch so unbekannt blieb. Bescheiden bis an die Grenze der Selbstverleugnung, verbrachte er praktisch sein ganzes Leben - abgesehen von drei Studienjahren in Europa - in einem Gebiet von drei Häuserblocks, das durch sein Haus und das Gelände der Yale University in New Haven, Connecticut, begrenzt

* Genauer gesagt, ist die Entropie ein Maß für die Zufälligkeit oder Unordnung in einem System. Einen sehr anschaulichen Vergleich stellt Darrell Ebbing in dem Lehrbuch General Chemistry an: Man stelle sich ein Kartenspiel vor, das frisch aus der Packung kommt, sortiert nach Farben und in der Reihenfolge vom As bis zum König; ein solches Blatt befindet sich in einem geordneten Zustand. Mischt man die Karten, stellt sich ein Zustand der Unordnung ein. Die Entropie ist ein Maß dafür, wie ungeordnet dieser Zustand ist und mit welcher Wahrscheinlichkeit sich durch weiteres Mischen ein bestimmtes Ergebnis einstellen wird. Wer seine Beobachtungen in einer angesehenen Fachzeitschrift veröffentlichen will, muss natürlich auch über weitere Begriffe Bescheid wissen, so über Thermische Ungleichförmigkeit, Gitter ab stände oder stöchiometrische Beziehungen, aber dies ist der Grundgedanke.

war. Während der ersten zehn Jahre an der Hochschule wagte er es nicht einmal, ein Gehalt zu verlangen. (Finanziell war er unabhängig.) Von 1871, als er an der Universität seine Professorenstelle antrat, bis zu seinem Tod im Jahr 1903 zogen seine Vorlesungen durchschnittlich nur wenig mehr als einen Studenten pro Semester an.¹ Seine schriftlichen Arbeiten waren schwer verständlich, und er bediente sich darin einer eigenen Schreibweise, die für viele andere undurchschaubar blieb. Aber hinter seinen exotischen Formulierungen verbargen sich Einsichten von allergrößtem Tiefsinn.

In den Jahren 1875 bis 1878 brachte Gibbs unter dem Titel On the Equilibrium of Heterogeneous Substances ( »Über das Gleichgewicht heterogener Substanzen« ) eine Reihe von Aufsätzen heraus, in denen er auf glänzende Weise die thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten von -nun ja - fast allem aufklärte: von »Gasen, Gemischen, Oberflächen, Feststoffen, Phasenveränderungen ... chemischen Reaktionen, elektrochemischen Zellen, Sedimentation und Osmose«, wie William H. Cropper es formulierte. Letztlich wies Gibbs nach, dass die Thermodynamik nicht nur für Wärme und Energie im Maßstab der großen, lauten Dampfmaschinen gilt, sondern dass sie auch auf der Ebene der chemischen Reaktionen und ihrer einzelnen Atome großen Einfluss hat. Gibbs’ Equilibrium wurde als »Principia der Thermodynamik« ⁴ bezeichnet, aber aus Gründen, die sich jeder Spekulation entziehen, veröffentlichte er seine bahnbrechenden Beobachtungen in den Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, einer Fachzeitschrift, der es gelungen war, sogar in Connecticut relativ unbekannt zu bleiben; das war der Grund, warum Planck erst davon hörte, als es zu spät war.

Unbeeindruckt - nun ja, oder vielleicht doch geringfügig* beeindruckt - wandte Planck sich anderen Themen zu. Wir werden in Kürze darauf zurückkommen, aber zuvor müssen wir einen kleinen und dennoch wichtigen Abstecher nach Cleveland in Ohio unternehmen, zu einer Institution, die sich damals Case School of Applied Science nannte. Dort machte sich Albert Michelson, ein Physiker im mittleren Alter, in den achtziger Jahren des 19. Jahrhunderts mit Hilfe des befreundeten Chemikers Edward Morley an eine Versuchsreihe, die zu eigenartigen, beunruhigenden Ergebnissen führte. Ihre Befunde sollten für alles Weitere wichtige Folgen haben.

Ohne dass sie es beabsichtigt hätten, zerstörten Michelson und Morley den uralten Glauben an etwas, das als Licht tragender Äther bezeichnet wurde - ein stabiles, unsichtbares, gewichtsloses Medium, das keine Reibung verursachte und sich durch das ganze Universum ziehen sollte, in Wirklichkeit aber ein reines Fantasieprodukt war. Die Vorstellung vom Äther war von Descartes entwickelt worden, Newton hatte sie übernommen und seitdem hatten auch fast alle anderen sich ihr angeschlossen; in der Physik des 19. Jahrhunderts bildete sie das Kernstück aller Erklärungen dafür, wie Licht durch die Leere des Raumes

* Planck hatte im Leben oft Pech. Seine erste Frau, die er innig liebte, starb schon 1909, und der jüngere seiner beiden Söhne kam im Ersten Weltkrieg ums Leben. Außerdem hatte er Zwillingstöchter, die er anbetete. Eine starb bei einer Entbindung. Die zweite kümmerte sich um das Baby und verliebte sich in den Mann ihrer Schwester. Zwei Jahre später heirateten die beiden, und dann starb auch diese Schwester im Kindbett. Im Jahr 1944, als Planck 85 Jahre alt war, wurde sein Haus von einer Bombe der Alliierten getroffen, und er verlor alles: Papiere, Tagebücher, die gesammelten Schätze eines ganzen Lebens. Im folgenden Jahr wurde sein verbliebener Sohn wegen einer Verschwörung zur Ermordung Hitlers verhaftet und hingerichtet.

wandern kann. Sie war zu jener Zeit vor allem deshalb unentbehrlich, weil man Licht und Elektromagnetismus jetzt für Wellen - das heißt für eine Art von Schwingungen - hielt. Schwingungen gibt es nur, wenn irgendetwas schwingt; deshalb brauchte man den Äther und hielt sehr lange an ihm fest. Noch 1909 beharrte der große britische Physiker J. J. Thomson: »Der Äther ist kein Fantasieprodukt spekulativer Philosophen, sondern er ist für uns ebenso notwendig wie die Luft, die wir atmen«

- und das vier Jahre nachdem eigentlich zweifelsfrei nachgewiesen worden war, dass er nicht existierte. Kurz gesagt: Alle hingen am Äther.

Wenn man sich klar machen möchte, warum Amerika im 19. Jahrhundert als Land der unbegrenzten Möglichkeiten galt, kann man dafür kaum ein besseres Beispiel finden als das Leben von Albert Michelson. Er wurde 1852 als Sohn armer jüdischer Kaufleute an der deutsch-polnischen Grenze geboren, kam als Säugling mit seiner Familie in die Vereinigten Staaten und wuchs mitten im kalifornischen Goldrausch in einem Goldgräberlager auf, wo sein Vater ein Textilgeschäft betrieb.⁵ Da das Geld für ein College fehlte, reiste er nach Washington und trieb sich vor dem Eingang des Weißen Hauses herum, sodass er mit dem Präsidenten Ulysses S. Grant zusammentreffen konnte, wenn dieser seinen täglichen Gesundheitsspaziergang unternahm. (Damals herrschte offensichtlich größere Arglosigkeit als heute.) Während dieser Spaziergänge machte Michelson sich beim Präsidenten so beliebt, dass Grant ihm einen kostenlosen Platz an der US-Marineakademie zusagte. Dort erwarb Michelson seine physikalischen Kenntnisse.

Zehn Jahre später - mittlerweile war er Professor an der Case School in Cleveland - wollte Michelson etwas messen, das als Ätherströmung bezeichnet wurde, eine Art Gegenwind, den bewegte Objekte erzeugten, wenn sie durch den Raum pflügten. Die Newton’sche Physik sagte unter anderem voraus, dass Licht sich im Verhältnis zu einem Beobachter mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzt, je nachdem, ob die Lichtquelle sich auf ihn zu oder von ihm wegbewegt, aber niemand hatte bisher einen Weg gefunden, um diesen Effekt zu messen. Michelson fiel ein, dass die Erde sich ja ein halbes Jahr lang der Sonne nähert und sich anschließend ein halbes Jahr lang von ihr entfernt; demnach, so seine Überlegung, musste man nur zu verschiedenen Jahreszeiten genaue Messungen anstellen und die Wanderungszeit des Lichtes vergleichen, dann hätte man die Antwort.

Michelson unterhielt sich mit Alexander Graham Bell, dem Erfinder des Telefons, der kurz zuvor reich geworden war; dieser stellte die Mittel zum Bau eines Interferometers zur Verfügung, eines raffinierten, höchst empfindlichen Instruments zur genauen Messung der Lichtgeschwindigkeit, das Michelson selbst entworfen hatte. Anschließend machte sich Michelson mit Hilfe des genialen, aber äußerst zurückhaltenden Morley an jahrelange, mühsame Messungen. Es waren heikle, anstrengende Arbeiten, und sie mussten eine Zeit lang unterbrochen werden, weil Michelson einen kurzen, aber schweren Nervenzusammenbruch erlitt. Im Jahr 1887 lag das Ergebnis schließlich vor, und es war alles andere als das, womit die beiden Wissenschaftler gerechnet hatten.

Der Astrophysiker Kip S. Thorne vom California Institute of Technology schrieb dazu: »Die Lichtgeschwindigkeit schien . in allen Richtungen und zu allen Jahreszeiten gleich zu sein.« ⁶ Es war seit 200 Jahren - und zwar wirklich genau 200 Jahren - der erste Anhaltspunkt, dass Newtons Gesetze nicht immer und überall gültig sind. Der Befund von Michelson und Morley wurde zum »vermutlich berühmtesten negativen Ergebnis in der gesamten Geschichte der Physik«, wie William H. Cropper es formulierte. Michelson erhielt für die Arbeiten den Physik-Nobelpreis - es war das erste Mal, dass ein Amerikaner damit ausgezeichnet wurde -, aber bis es so weit war, vergingen noch 20 Jahre. In der Zwischenzeit hingen die Experimente von Michelson und Morley unangenehm über dem wissenschaftlichen Denken wie ein fauliger Geruch.

Interessanterweise zählte Michelson sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts trotz seiner Befunde zu denjenigen, nach deren Ansicht die Arbeit am Gebäude der Wissenschaft fast beendet war, sodass »nur noch ein paar Türmchen und Zinnen hinzukommen, nur noch ein paar Dachverzierungen geschnitzt werden mussten«, wie die Wissenschaftszeitschrift Nature es einmal ausdrückte.

In Wirklichkeit stand die Welt natürlich am Beginn eines Jahrhunderts der Wissenschaft, in dem viele Menschen überhaupt nichts mehr verstanden und niemand alles verstand. Wenig später fanden sich die Wissenschaftler hilflos zwischen einer verwirrenden Vielfalt von Teilchen und Antiteilchen wieder, in der die Dinge so schnell kommen und gehen, dass Nanosekunden dagegen wie lange, langweilige Zeiträume wirken, und in der alles wirklich seltsam ist. Die Wissenschaft wandelte sich von einer Welt der Makrophysik, deren Objekte man sehen, in die Hand nehmen und messen kann, zur Mikrophysik mit Ereignissen, die sich unvorstellbar schnell und in Größenmaßstäben weit unterhalb unseres Vorstellungsvermögens abspielen. Man stand an der Schwelle des Quantenzeitalters, und der Erste, der an die Tür klopfte, war der bisher so vom Pech verfolgte Max Planck.

Im Jahr 1900 verkündete Planck, mittlerweile theoretischer Physiker an der Berliner Universität und bereits 42 Jahre alt, eine neue »Quantentheorie«. Darin postulierte er, dass Energie nichts Kontinuierliches ist wie fließendes Wasser, sondern aus abgegrenzten Paketen besteht, die er Quanten nannte. Es war eine ganz neue Vorstellung, und zwar eine gute. Kurzfristig trug sie dazu bei, das Rätsel der Michelson-Morley-Experimente zu lösen, denn durch sie wurde gezeigt, dass Licht nicht unbedingt eine Welle sein muss. Auf längere Sicht legte sie das Fundament für die gesamte moderne Physik. Und in jedem Fall war sie der erste Hinweis, dass die Welt sich verändern würde.

Das entscheidende Ereignis jedoch - den wirklichen Beginn einer neuen Epoche - brachte das Jahr 1905: In der deutschen physikalischen Fachzeitschrift Annalen der Physik erschien eine Serie von Aufsätzen eines jungen Schweizer Beamten, der nicht an einer Universität arbeitete, keinen Zugang zu einem Labor hatte und regelmäßig nur die kleine Bibliothek des Nationalen Patentamtes in Bern benutzen konnte, wo er als technischer Prüfer dritter Klasse tätig war. (Ein Antrag auf Beförderung zum technischen Prüfer zweiter Klasse war kurz zuvor abgelehnt worden.)

Sein Name war Albert Einstein. In jenem ereignisreichen Jahr reichte er bei den Annalen der Physik fünf Aufsätze ein, die nach Ansicht von C. P. Snow zu den größten in der gesamten Geschichte der Physik gehörten.⁹ In einem davon untersuchte er mit Hilfe von Plancks neuer Quantentheorie den fotoelektrischen Effekt, ein anderer handelte vom Verhalten kleiner Teilchen in Lösungen (das heißt von der so genannten Brown’schen Bewegung), und in einem dritten umriss er eine spezielle Relativitätstheorie.

Der erste Aufsatz brachte seinem Autor den Nobelpreis ein. Darin erklärte Einstein das Wesen des Lichts (was unter anderem dazu beitrug, dass das Fernsehen möglich_* wurde). Der zweite lieferte den Beweis, dass Atome tatsächlich existieren, eine Tatsache, die erstaunlicherweise zuvor noch ein wenig umstritten war. Und der dritte veränderte schlicht und einfach die ganze Welt.

Einstein wurde 1879 in Ulm geboren, wuchs aber in München auf. In seiner Jugend ließ kaum etwas die zukünftige Größe vorausahnen. Berühmt wurde die Tatsache, dass er erst mit drei Jahren sprechen lernte. In den neunziger Jahren des 19. Jahrhunderts machte die Elektrikerfirma seines Vaters Bankrott, und die Familie zog nach Mailand; Albert, der mittlerweile ein Teenager war, ging in die Schweiz und setzte seine Ausbildung fort - fiel aber in der Aufnahmeprüfung für die Hochschule beim ersten Versuch durch. Im Jahr 1896 gab er die deutsche Staatsbürgerschaft auf, um der Einziehung zum Militärdienst zu entgehen, und schrieb sich am Züricher Polytechnikum zu einem vierjährigen Studiengang als Oberschullehrer für Naturwissenschaften ein. Er war ein guter, aber kein herausragender Student.

Schon wenige Monate nachdem er 1900 sein Examen gemacht hatte, reichte er bei den Annalen der Physik die ersten Artikel ein. Sein allererster Aufsatz über die physikalischen Verhältnisse von Flüssigkeiten in Trink-

* Einstein wurde ein wenig unbestimmt »für Verdienste um die theoretische Physik« geehrt. Auf den Preis musste er 16 Jahre - bis 1921 - warten, angesichts aller Umstände sehr lange, aber eine kurze Spanne im Vergleich zu Frederick Reines, der 1957 das Neutrino entdeckte und erst 1995, 38 Jahre später, den Nobelpreis erhielt, oder auch zu dem Deutschen Ernst Ruska, der 1932 das Elektronenmikroskop erfand und über ein halbes Jahrhundert danach, 1986, mit dem höchsten Wissenschaftspreis ausgezeichnet wurde. Da Nobelpreise niemals posthum verliehen werden, ist eine lange Lebensdauer für die Preisträger manchmal ebenso wichtig wie geniale Gedanken.

strohhalmen (ausgerechnet) erschien in der gleichen Ausgabe wie Plancks Quantentheorie.¹⁰ Von 1902 bis 1904 verfasste er eine ganze Reihe von Abhandlungen über statistische Mechanik, aber dann musste er feststellen, dass der produktive J. Willard Gibbs aus Connecticut in aller Stille auch diese Arbeit bereits erledigt und 1901 in seinen Elementary Principles of Statistical Mechanics veröffentlicht hatte.¹¹

Zur gleichen Zeit verliebte Einstein sich in eine Kommilitonin, die Ungarin Mileva Maric. Die beiden hatten 1901 eine uneheliche Tochter, die ganz diskret zur Adoption freigegeben wurde. Einstein bekam sein Kind nie zu Gesicht. Zwei Jahre später war er mit Maric verheiratet. Zwischen diesen beiden Ereignissen, im Jahr 1902, nahm Einstein eine Stelle am Schweizer Patentamt an, die er während der folgenden sieben Jahre behielt. Die Arbeit machte ihm Spaß: Sie war so anspruchsvoll, dass sie ihn geistig forderte, andererseits aber auch nicht so schwierig, dass sie ihn von seinen physikalischen Arbeiten abgelenkt hätte. Vor diesem Hintergrund erdachte er 1905 seine spezielle Relativitätstheorie.

Der Aufsatz mit dem Titel »Zur Elektrodynamik bewegter Körper« ist eine der herausragendsten wissenschaftlichen Veröffentlichungen aller Zeiten, und zwar sowohl in der Art der Darstellung als auch im Inhalt. Er enthält weder Fußnoten noch Zitate und nur sehr wenig Mathematik, erwähnt keine anderen Arbeiten, auf denen er aufbaut oder die ihn beeinflusst hätten, und dankt nur einer einzigen Person für Hilfe: Michele Besso, einem Kollegen aus dem Patentamt. Es war, wie C. P. Snow schrieb, als sei Einstein »durch reines Denken zu seinen Erkenntnissen gelangt, ohne Hilfe, ohne auf die Meinungen anderer zu hören. In einem überraschend großen Ausmaß hat er tatsächlich genau das getan.«

Seine berühmte Gleichung E = mc² kommt in dem Artikel nicht vor, sie stand aber in einer kurzen Ergänzung, die wenige Monate später folgte. Wie manch einer sicher noch aus seiner Schulzeit weiß, steht das E in der Gleichung für die Energie, m für die Masse und c² für das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit.

Ganz einfach ausgedrückt, besagt diese Gleichung, dass Masse und Energie letztlich äquivalent sind. Sie sind Formen der gleichen Sache: Energie ist freigesetzte Materie, und Materie ist Energie, die auf ihre Befreiung wartet. Da c (die Lichtgeschwindigkeit, mit sich selbst multipliziert) eine wahrhaft riesige Zahl ist, geht aus der Gleichung auch hervor, dass in jedem Ding, welches aus Materie besteht, eine wirklich ungeheuere Energiemenge * gebunden ist.

Ein durchschnittlich großer Erwachsener enthält selbst dann, wenn er sich nicht besonders kräftig fühlt, in seinem bescheidenen Körper eine potenzielle Energie von nicht weniger als 7 x 10¹⁸ Joule,¹⁴ genug, um mit der Gewalt von 30 großen Wasserstoffbomben zu explodieren -vorausgesetzt, man weiß, wie man die Energie freisetzt, und man will es wirklich beweisen. In jeder Materie ist in dem gleichen Umfang Energie gefangen. Es gelingt uns nur nicht sehr gut, sie nutzbar zu machen. Selbst eine Uranbombe - das Energiereichste, was wir bisher hergestellt haben - erzeugt noch nicht einmal ein Prozent der Energie, die wir freisetzen könnten, wenn wir schlauer wären.¹⁵

Neben vielem anderen erklärte Einsteins Theorie auch, wie Strahlung funktioniert und wie beispielsweise ein Klumpen Uran einen ständigen, starken Energiestrom abgeben kann, ohne dahinzuschmelzen wie ein Eiswürfel. (Er wandelt Masse nach dem Prinzip E = mc² sehr effizient in Energie um.) Auf einmal war klar, wie Sterne Jahrmilliarden lang leuchten können, ohne dass ihr Brennstoff zur Neige geht. Mit einem Schlag, mit einer einzigen, einfachen Formel, verschaffte Einstein den Geologen und Astronomen den Luxus vieler Milliarden Jahre. Vor allem aber zeigte die spezielle Relativitätstheorie, dass die Lichtgeschwindigkeit immer gleich ist und eine Obergrenze darstellt. Nichts kann sie übertreffen. Sie brachte Licht (kein Wortspiel, ehrlich!) in unsere tiefsten Kenntnisse über das Wesen des Universums. Und nicht ganz zufällig löste sie damit auch das Problem des Licht tragenden Äthers, denn sie machte klar, dass er nicht existiert. Einstein bescherte uns ein Universum, in dem er nicht notwendig ist.

In der Regel schenken Physiker den Verlautbarungen eines Schweizer Patentbeamten keine übermäßig große Aufmerksamkeit, und deshalb nahm man von Einsteins Aufsätzen trotz ihres über alle Maßen nützlichen Inhalts kaum Notiz. Nachdem er gerade einige der größten Rätsel des Universums gelöst hatte, bewarb er sich als Universitätsdozent und wurde abgelehnt; anschließend versuchte er es als Oberschullehrer, und wieder wurde er abgelehnt. Also kehrte er zu seiner Tätigkeit als Patentprüfer dritter Klasse zurück, aber natürlich hörte er nicht auf, nachzudenken. Genauer gesagt war ein Ende noch gar nicht absehbar.

Als der Dichter Paul Valéry sich einmal bei Einstein erkundigte, ob er seine Gedanken in einem Notizbuch festhielt, sah Einstein ihn mit leichter, aber ehrlicher Verwunderung an. »Ach, das ist nicht notwendig« erwiderte er. »Ich habe so selten welche.« ¹⁶ Wenn ihm jedoch eine Idee kam, das braucht wohl nicht besonders betont zu werden, war sie gut. Einsteins nächste Idee war eine der größten, die jemals einem Menschen einfiel, oder sogar die allergrößte - das jedenfalls meinen Boorse, Motz und Weaver in ihrer nachdenklichen Geschichte der Atomforschung. Dort schreiben sie: »Als Hervorbringung eines einzigen Kopfes ist es zweifellos die größte intellektuelle Leistung der Menschheit.« Ein größeres Kompliment kann man natürlich niemandem machen.

Manche Autoren behaupten, Einstein habe ungefähr 1907 einen Arbeiter von einem Dach fallen sehen und daraufhin über die Gravitation nachgedacht. Aber wie viele gute Geschichten ist auch diese offensichtlich nicht verbürgt. Nach Einsteins eigenem Bericht saß er einfach auf einem Stuhl, als ihm plötzlich die Frage der Gravitation in den Sinn kam.¹⁸

Eigentlich war Einsteins Einfall mehr als nur ein Lösungsansatz für das Problem der Gravitation, denn ihm war von Anfang an klar gewesen, dass genau in dieser Frage in seiner speziellen Relativitätstheorie eine Lücke klaffte. Das »Spezielle« bestand darin, dass die Theorie sich mit Dingen beschäftigte, die sich im Wesentlichen ungehindert bewegten. Aber was geschah, wenn etwas Bewegtes - insbesondere das Licht - auf ein Hindernis wie die Gravitation traf? Mit dieser Frage beschäftigte er sich fast während der gesamten nächsten zehn Jahre, und Anfang 1917 führten seine Überlegungen zur Veröffentlichung eines Aufsatzes mit dem Titel »Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie«.¹⁹ Schon die spezielle Relativitätstheorie von 1905 war natürlich eine tief greifende, wichtige Arbeit gewesen, aber wie C. P. Snow einmal bemerkte, wäre innerhalb von fünf Jahren auch jemand anderes darauf gekommen, wenn es Einstein zu diesem Zeitpunkt nicht gelungen wäre; die Zeit war reif dafür.

Ganz anders die allgemeine Relativitätstheorie: »Auf sie würden wir ohne Einstein wahrscheinlich noch heute warten«, schrieb Snow 1979.

Mit seiner Pfeife, seiner genial-bescheidenen Art und seiner wilden Mähne war Einstein einfach eine zu auffällige Gestalt, als dass er auf Dauer hätte im Dunkeln bleiben können, und 1919, als der Krieg vorüber war, wurde er von der Welt entdeckt.

Fast über Nacht stand seine Theorie auf einmal in dem Ruf, ein normaler Mensch könne sie unmöglich begreifen. Wie David Bodanis in seinem ausgezeichneten Buch Bis Einstein kam deutlich macht, half es auch nicht, als die New York Times sich zu einem Bericht entschloss und aus Gründen, die immer wieder Staunen erregen, ausgerechnet ihren Golfreporter, einen gewissen Henry Crouch, mit dem Interview beauftragte.

Crouch war hoffnungslos überfordert und gab fast alles falsch wieder. Einer der folgenschwersten Fehler in seinem Bericht war die Behauptung, Einstein habe einen Verleger gefunden, der das Wagnis auf sich nahm und ein Buch veröffentlichen wolle, »das nur zwölf Menschen auf der ganzen Welt verstehen«. Es gab weder ein solches Buch noch einen solchen Verleger oder einen solchen Kreis gelehrter Männer, aber die Formulierung blieb hängen. Wenig später war die Zahl der Menschen, die nach allgemeiner Vorstellung die Relativitätstheorie begreifen konnten, noch weiter geschrumpft - und das wissenschaftliche Establishment gab sich auch keine Mühe, den Mythos zu zerstören.

Als ein Journalist den britischen Astronomen Sir Arthur Eddington fragte, ob es richtig sei, dass dieser zu den drei Menschen in der Welt gehöre, die Einsteins Relativitätstheorie verstehen könnten, dachte Eddington einen Augenblick lang nach und erwiderte dann: »Ich überlege gerade, wer der Dritte sein könnte.« ²² In Wirklichkeit bestand das Problem bei der Relativitätstheorie nicht darin, dass sie eine Menge Differentialgleichungen, Lorentz-Transformationen und andere komplizierte mathematische Ausdrücke enthielt (bei denen selbst Einstein in einigen Fällen Hilfe brauchte), sondern das Schwierigste war, dass sie der Intuition so völlig widerspricht.

Im Kern besagt die Relativitätstheorie, dass Raum und Zeit nichts Absolutes sind, sondern relativ zum Beobachter und zu dem beobachteten Objekt. Je schneller sich das eine gegenüber dem anderen bewegt, desto ausgeprägter wird der Effekt. Wir können uns selbst nie bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, und je energischer wir es versuchen (und je schneller wir uns bewegen), desto stärker werden wir im Verhältnis zu einem außenstehenden Beobachter verzerrt.

Von Anfang an versuchten populärwissenschaftliche Autoren, solche Vorstellungen einem Laienpublikum verständlich zu machen. Zu den erfolgreicheren Versuchen - zumindest was die wirtschaftliche Seite angeht - gehörte Das ABC der Relativitätstheorie des Mathematikers und Philosophen Bertrand Russell. Darin bediente sich Russell eines Bildes, das seither immer wieder benutzt wurde. Der Leser soll sich einen Eisenbahnzug vorstellen, der 100 Meter lang ist und sich mit 60 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Für jemanden, der auf dem Bahnsteig steht und den Zug vorüberfahren sieht, scheint er nur 80 Meter lang zu sein, und entsprechend zusammengedrückt erscheint auch alles, was sich darin befindet. Könnten wir die Fahrgäste im Zug sprechen hören, würden ihre Stimmen undeutlich und schwerfällig klingen wie eine Schallplatte, die mit zu geringer Drehzahl abgespielt wird, und ebenso träge würden ihre Bewegungen aussehen. Selbst die Uhren in dem Zug würden, von außen betrachtet, nur mit vier Fünfteln ihrer normalen Geschwindigkeit laufen.

Aber - und das ist das Wesentliche - die Menschen in dem Zug würden von diesen Verzerrungen nichts bemerken. Ihnen würde alles, was sich im Zug befindet, völlig normal erscheinen. Dafür würden wir, die wir auf dem Bahnsteig stehen, seltsam zusammengedrückt und verlangsamt aussehen. Alles hängt nur von der eigenen Position relativ zu dem bewegten Gegenstand ab.

In Wirklichkeit tritt dieser Effekt jedes Mal ein, wenn wir uns fortbewegen. Wer einmal quer über die Vereinigten Staaten fliegt, ist beim Aussteigen aus dem Flugzeug ungefähr eine Quadrillionstel Sekunde jünger als jene, die er zurückgelassen hat. Selbst wenn wir nur durch das Zimmer gehen, tritt in unserem Erleben von Raum und Zeit eine geringfügige Veränderung ein. Manchen Berechnungen zufolge gewinnt ein Baseball, der mit 160 Stundenkilometern geworfen wird, auf seinem Weg zum Home Plate ungefähr 0,000000000002 Gramm an Masse hinzu. Die Relativitätstheorie hat also echte Auswirkungen, die man auch messen kann. Das Problem besteht nur darin, dass die Veränderungen viel zu klein sind, als dass wir auch nur den geringsten Unterschied wahrnehmen würden. Für andere Phänomene im Universum jedoch - Licht, Gravitation, das Universum selbst - sind sie eine folgenschwere Angelegenheit.

Wenn die Vorstellungen der Relativitätstheorie also verrückt erscheinen, dann liegt das nur daran, dass wir solche Wechselbeziehungen in unserem Alltag nicht erleben. Aber um noch einmal auf Bodanis zurückzugreifen: Andere Formen der Relativität begegnen uns häufig, beispielsweise im Zusammenhang mit dem Schall. Angenommen, wir befinden uns in einem Park, und irgendwo spielt nervtötende Musik. Dann wissen wir ganz genau, dass die Musik leiser wird, wenn wir uns von dem Musikgerät entfernen. Das liegt natürlich nicht daran, dass die Musik selbst leiser würde, sondern nur an unserer eigenen Position, die sich relativ zum Standort der Musik verändert. Für jemanden, der so klein oder so langsam ist, dass er diese Erfahrung nicht nachvollziehen kann -beispielsweise für eine Schnecke - wird es wahrscheinlich eine unglaubliche Vorstellung sein, dass ein und derselbe Lautsprecher für zwei verschiedene Beobachter mit ganz unterschiedlicher Lautstärke spielt.

Das schwierigste Konzept der Relativitätstheorie, das auch der Intuition am stärksten widerspricht, ist die Erkenntnis, dass die Zeit ein Teil des Raumes ist. Wir betrachten die Zeit instinktiv als etwas Ewiges, Absolutes, Unveränderliches - nichts kann ihr stetiges Ticken beeinflussen. In Wirklichkeit aber, so Einstein, ist die Zeit veränderlich, und sie wandelt sich ständig. Sie hat sogar eine Form. Sie ist mit den drei Dimensionen des Raumes in einer seltsamen, als Raumzeit bekannten Dimension verbunden - unentwirrbar verwoben, wie Stephen Hawking es formuliert.

Um die Raumzeit zu verstehen, sollen wir uns in der Regel einen flachen, elastischen Gegenstand vorstellen, beispielsweise eine Matratze oder ein gespanntes Gummituch, auf dem eine Eisenkugel oder ein ähnliches schweres, rundes Objekt liegt. Das Gewicht der Eisenkugel sorgt dafür, dass das Material darunter sich dehnt und ein wenig nach unten sinkt. Eine ungefähr analoge Wirkung übt ein massereiches Objekt wie die Sonne (die Eisenkugel) auf die Raumzeit (das Material darunter) aus: Sie wird gedehnt, gekrümmt und verdreht. Eine kleinere Kugel, die man nun über das Tuch rollen lässt, hat das Bestreben, sich entsprechend den Newtonschen Bewegungsgesetzen in gerader Linie fortzubewegen, aber je näher sie dem schweren Gegenstand und dem geneigten, durchhängenden Teil des Tuches kommt, desto schneller rollt sie bergab, unausweichlich angezogen von dem massereichen Objekt. Nichts anderes ist die Gravitation: Sie entsteht durch die Krümmung der Raumzeit.

Jedes Objekt, das eine Masse hat, sorgt im Gewebe des Kosmos für eine kleine Vertiefung. Das Universum ist also »wie eine Liege, die unter dem Gewicht eines beleibten Schläfers nachgibt«, wie Dennis Overbye es formulierte. Gravitation ist damit eigentlich kein eigenständiges Phänomen mehr, sondern sie »ergibt sich aus der Krümmung der Raumzeit«, so der Physiker Michio Kaku. Er schreibt weiter: »In einem gewissen Sinn existiert die Gravitation nicht; die Bewegungen der Planeten und Sterne sind auf die Verzerrung von Raum und Zeit zurückzuführen.« ²⁷

Natürlich hat der Vergleich mit der durchhängenden Matratze seine Grenzen, denn er bezieht die Auswirkungen der Zeit nicht mit ein. Grenzen setzt uns aber auch unser Gehirn: Es ist fast unmöglich, sich eine Dimension aus drei Teilen Raum und einem Teil Zeit vorzustellen, die alle verwoben sind wie die Fäden einer Wolldecke. Immerhin können wir uns aber nach meiner Überzeugung darauf einigen, dass es für einen jungen Mann, der in der Hauptstadt der Schweiz aus dem Fenster des Patentamtes blickte, eine bewundernswerte geistige Leistung war.

Neben vielem anderen besagt Einsteins allgemeine Relativitätstheorie auch, dass das Universum sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen muss. Aber Einstein war kein Kosmologe und glaubte an die Lehrmeinung seiner Zeit, wonach das Universum etwas Feststehendes, Ewiges war. Mehr oder weniger automatisch ließ er in seine Gleichungen eine so genannte kosmologische Konstante einfließen, die willkürlich den Effekt der Gravitation ausgleichen sollte und eine Art mathematische Verlegenheitslösung darstellte. Wissenschaftshistorische Werke sehen Einstein diese Schwäche stets nach, aber in Wirklichkeit war sie aus wissenschaftlicher Sicht ziemlich entsetzlich, und das wusste er auch. Er bezeichnete sie als »den größten Unsinn meines Lebens«.

Ungefähr zur gleichen Zeit, als Einstein in seine Theorie eine kosmologische Konstante einbaute, nahm ein Astronom mit dem fröhlich-intergalaktischen Namen Vesto Slipher (der aber in Wirklichkeit aus Indiana stammte) am Lowell Observatory in Arizona spektro-grafische Messungen an weit entfernten Sternen vor. Dabei entdeckte er, dass sie sich offensichtlich von uns entfernen. Das Universum war nicht unbeweglich. Die von Slipher untersuchten Sterne ließen eindeutig einen * Dopplereffekt erkennen - das ist der Mechanismus, der auch für das charakteristische, an- und absteigende Heulen der vorübersausenden Autos auf einer Rennstrecke sorgt. Das gleiche Phänomen gibt es auch beim Licht, und wenn es sich um zurückweichende Galaxien handelt, spricht

* Der Name erinnert an den österreichischen Physiker Johann Christian Doppler, der den Effekt 1842 zum ersten Mal bemerkte. Er entsteht, kurz gesagt, folgendermaßen: Wenn ein bewegter Gegenstand sich einem stehenden Objekt nähert, werden die Schallwellen zusammengeschoben, während sie sich der Vorrichtung (beispielsweise dem Ohr) nähern, die sie aufnimmt, ganz ähnlich wie bei einem Gegenstand, den man von hinten gegen eine unbewegliche Wand drückt. Die derart zusammengedrängten Schallwellen nimmt der Hörer als höheren Ton wahr. Entfernt sich die Schallquelle wieder, werden die Schallwellen gedehnt, und der Ton hört sich tiefer an.

man von der Rotverschiebung (weil Licht, dessen Quelle sich von uns wegbewegt, sich zum roten Ende des Spektrums verschiebt; kommt die Lichtquelle näher, gibt es eine Blauverschiebung).

Slipher beobachtete diesen Effekt erstmals beim Licht und erkannte auch sofort, welche Bedeutung er für unsere Kenntnisse über die Bewegungen im Kosmos gewinnen konnte. Leider hörte aber fast niemand auf ihn. Wie bereits erwähnt wurde, nahm das Lowell Observatory wegen Percival Lowells Leidenschaft für die Marskanäle eine Sonderstellung ein, und deshalb stand es in den Jahren nach 1910 in jeder Hinsicht am Rand der astronomischen Forschung. Slipher wusste nichts über Einsteins Relativitätstheorie, und ebenso wusste die Welt nichts über Slipher. Deshalb blieben seine Befunde ohne Wirkung.

Den Ruhm heimste stattdessen ein sehr selbstbewusster Mann namens Edwin Hubble ein. Hubble wurde 1889, zehn Jahre nach Einstein, in einer kleinen Stadt im US-Bundesstaat Missouri am Rand des Ozark-Plateaus geboren und verbrachte seine Jugend dort sowie in Wheaton, Illinois, einem Vorort von Chicago. Sein Vater war ein erfolgreicher Versicherungsmanager, sodass Edwin immer ein angenehmes Leben führen konnte, und

außerdem erfreute er sich auch zahlreicher körperlicher Vorzüge. Er war ein starker, begabter Sportler, charmant, klug und ungeheuer gut aussehend -William H. Cropper nennt ihn »fast verboten schön«, ein anderer Bewunderer bezeichnete ihn als »Adonis«. Seinen eigenen Berichten zufolge gelang es ihm, in seinem Leben immer wieder Heldentaten zu vollbringen - er rettete ertrinkende Schwimmer, brachte verängstigte Männer auf den Schlachtfeldern Frankreichs in Sicherheit, bereitete Boxweltmeistern in Schaukämpfen peinliche Niederlagen durch K. O. Das alles klingt zu schön, um wahr zu sein. Es stimmte auch nicht. Bei aller Begabung war Hubble nämlich auch ein unverbesserlicher Lügner.

Eigentlich unverständlich, denn Hubble genoss von Anfang an und während seines ganzen Lebens einen derart guten Ruf, dass es manchmal schon fast an Lächerlichkeit grenzte. Im Jahr 1906 gewann er bei einem einzigen Highschool-Leichtathletikwettbewerb im Stabhochsprung, Kugelstoßen, Diskus- und Hammerwerfen sowie beim Hochsprung mit und ohne Anlauf, und er gehörte auch der siegreichen Eine-Meile-Staffel an; neben diesen sieben ersten Plätzen belegte er auch noch den dritten im Weitsprung. Im gleichen Jahr stellte er für Illinois einen neuen Rekord im Hochsprung auf.

Ebenso herausragend waren Hubbles wissenschaftliche Leistungen, und er wurde ohne Schwierigkeiten zum Physik- und Astronomiestudium an der Chicagoer Universität zugelassen (wo übrigens Albert Michelson zu jener Zeit das betreffende Institut leitete). Dort erhielt er als einer der Ersten eines der neu geschaffenen RhodesStipendien der englischen Universität Oxford. Drei Jahre mit britischer Lebensart krempelten ihn offenbar völlig um: Als er 1913 nach Wheaton zurückkehrte, trug er eine Schottenmütze, rauchte Pfeife und sprach mit einem seltsam blasierten Akzent, der irgendwie britisch und doch nicht britisch war und ihm sein ganzes Leben erhalten bleiben sollte. Später behauptete er zwar, er habe das zweite Jahrzehnt des Jahrhunderts fast ausschließlich als Jurist in Kentucky gelebt, in Wirklichkeit arbeitete er aber als Lehrer und Basketballtrainer an einer Highschool in New Albany in Indiana, bevor er sehr verspätet seinen Doktor machte und kurze Zeit bei der Armee diente. (Nach Frankreich kam er einen Monat vor dem Waffenstillstand, und mit ziemlicher Sicherheit hörte er nie einen einzigen im Gefecht abgegebenen Schuss.)

Im Jahr 1919, er war mittlerweile 30, zog er nach Kalifornien und nahm eine Stellung am Mount Wilson Observatory nicht weit von Los Angeles an. Jetzt wurde er schnell und völlig unerwartet zum herausragendsten Astronomen des 20. Jahrhunderts.

Es lohnt sich, hier einen Augenblick innezuhalten und zu überlegen, wie wenig man zu jener Zeit über den Kosmos wusste. Nach heutiger Kenntnis gibt es im sichtbaren Universum bis zu 140 Milliarden Galaxien. Das ist eine gewaltige Zahl, viel größer, als man beim ersten Hören annehmen würde. Wäre jede Galaxie eine tiefgefrorene Erbse, könnte man damit einen großen Saal füllen, beispielsweise die Royal Albert Hall oder die Berliner Philharmonie. (Dies hat ein Astrophysiker namens Bruce Gregory tatsächlich ausgerechnet.) Im Jahr 1919 jedoch, als Hubble zum ersten Mal durch das Okular eines Teleskops blickte, gab es nur eine einzige bekannte Galaxie: die Milchstraße. Alles andere hielt man entweder für Teile der Milchstraße selbst oder für weit entfernte, unbedeutende Gaswolken. Hubble wies sehr schnell nach, dass diese Ansicht völlig falsch war.

Während der folgenden zehn Jahre beschäftigte er sich mit zwei ganz grundlegenden Rätseln des Universums: Wie alt ist es, und wie groß? Beide Fragen muss man beantworten, wenn man zweierlei wissen will: wie weit bestimmte Galaxien entfernt sind und wie schnell sie sich von uns entfernen (wie groß ihre so genannte Rezessionsgeschwindigkeit ist). Die Rotverschiebung sagt etwas darüber aus, wie schnell die Galaxien sich von uns entfernen, aber damit wissen wir noch nicht, wie groß der Abstand zu ihnen eigentlich ist. Um das herauszufinden, braucht man so genannte »Standardkerzen«, Sterne, deren Helligkeit man zuverlässig berechnen und als Maßstab für die Helligkeit (und damit den relativen Abstand) anderer Sterne verwenden kann.

Hubble hatte das Glück, dass kurz zuvor eine geniale Frau namens Henrietta Swan Leavitt eine entsprechende Methode ausgearbeitet hatte. Leavitt war am Harvard Observatory als Rechnerin tätig, wie man es damals nannte. Rechner sichteten ihr ganzes Leben lang Fotos von Sternen und stellten Berechnungen an - daher der Name. Es war eine ungeheuere Plackerei, aber näher konnte eine Frau der wirklichen Astronomie an der Harvard University - oder eigentlich auch überall sonst - zu jener Zeit kaum kommen. Das System war zwar ungerecht, brachte aber einen unerwarteten Nutzen: Die Hälfte der besten Köpfe beschäftigte sich mit Arbeiten, die ansonsten kaum zum Nachdenken angeregt hätten, und es war sichergestellt, dass Frauen am Ende zu einer Einschätzung über den Aufbau des Kosmos gelangten, die ihren männlichen Kollegen entging.

Annie Jump Cannon, eine andere Rechnerin des Harvard-Observatoriums, nutzte ihre Vertrautheit mit den Sternen und entwickelte ein System zu ihrer Einteilung, das ungeheuer praktisch war und deshalb noch heute in Gebrauch ist. Leavitt leistete einen noch tief greifenderen Beitrag. Ihr fiel auf, dass Sterne eines Typs, der als variable Sterne oder (nach dem Sternbild Cepheus, wo man sie erstmals entdeckte) als Cepheiden bezeichnet wird, in einem regelmäßigen Rhythmus pulsieren wie mit einem Sternen-Herzschlag. Cepheiden sind ziemlich selten, aber mindestens ein solcher Stern ist allgemein bekannt: Der Polarstern gehört in diese Gruppe.

Heute wissen wir, dass die Helligkeit der Cepheiden schwankt, weil sie alte Sterne sind, die ihre »Hauptreihenphase« hinter sich haben und zu roten Riesen geworden sind, um den Ausdruck der Astronomen zu benutzen. Die chemischen Vorgänge in roten Riesen zu erläutern, würde hier ein wenig zu weit führen (man muss dazu neben vielem anderen über die Eigenschaften einfach ionisierter Heliumatome Bescheid wissen), aber vereinfacht kann man sagen: Ihr verbliebener Brennstoff wird so verbraucht, dass sich ein rhythmisches, sehr zuverlässiges An- und Abschwellen der Helligkeit ergibt. Leavitts geniale Erkenntnis bestand darin, dass man die relative Lage verschiedener Cepheiden zueinander ermitteln kann, indem man ihre Größenverhältnisse vergleicht. Sie können als »Standardkerzen« dienen - dieser von ihr geprägte Begriff ist noch heute allgemein gebräuchlich. Mit der Methode erhält man keine absoluten, sondern nur relative Entfernungen, aber immerhin war es das erste Mal, dass jemand ein praktikables Verfahren zur Entfernungsmessung im Universum entwickelt hatte.

(Um diese Erkenntnisse in den richtigen Zusammenhang zu stellen, sollte man vielleicht auch auf etwas anderes hinweisen: Zur gleichen Zeit, als Leavitt und Cannon aus unscharfen Flecken auf Fotoplatten ihre Schlüsse über die grundlegenden Eigenschaften des Kosmos zogen, entwickelte der Astronom William H. Pickering von der Harvard University, der natürlich beliebig oft durch ein erstklassiges Teleskop blicken konnte, ebenfalls eine Theorie - danach wurden die dunklen Flecken auf dem Mond durch die jahreszeitlichen Wanderungen von Insektenschwärmen verursacht. )

Hubble kombinierte nun Leavitts kosmischen Entfernungsmaßstab mit Vesto Sliphers nützlicher Rotverschiebung und vermaß unter diesen neuen Prämissen ausgewählte Punkte im Weltraum. Im Jahr 1923 wies er nach, dass es sich bei einem weit entfernten, zarten Nebel im Sternbild Andromeda, den man bis dahin als M31 bezeichnet hatte, keineswegs um eine Gaswolke handelte, sondern um eine riesige Ansammlung von Sternen, eine eigenständige Galaxie mit einem Durchmesser von 100000 Lichtjahren, die mindestens 900000 Lichtjahre von uns entfernt ist.³⁴ Das Universum war viel größer - ungeheuer viel größer - als irgendjemand bisher angenommen hatte. Im Jahr 1924 wies er in seinem bahnbrechenden Aufsatz »Cepheids in Spiral Nebulae« (als nebulae, von dem lateinischen Wort für »Wolken«, bezeichnete er die Galaxien) nach, dass es im Universum nicht nur die Milchstraße gibt, sondern eine Fülle unabhängiger Galaxien, »Inseln im Universum«, die in zahlreichen Fällen viel größer als die Milchstraße und viel weiter von uns entfernt sind.

Allein diese Entdeckung hätte Hubbles Ruf gesichert, aber jetzt wandte er sich der Frage zu, um wie viel größer das Universum eigentlich ist, und dabei stellte er etwas noch Verblüffenderes fest. Hubble vermaß die Spektren weit entfernter Galaxien und setzte damit die Arbeiten fort, die Slipher in Arizona begonnen hatte. Mit dem neuen Zwei-einhalb-Meter-Teleskop des Mount Wilson Observatory fand er heraus, dass alle Galaxien am Himmel (mit Ausnahme derer in unserer eigenen lokalen Gruppe) sich von uns wegbewegen. Außerdem verhalten sich Geschwindigkeit und Entfernung genau proportional: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich.

Das war wirklich verblüffend. Das Universum dehnt sich aus, und zwar sehr schnell und gleichmäßig in allen Richtungen. Nun brauchte man nicht mehr viel Fantasie, um das Rad in Gedanken zurückzudrehen und zu der Erkenntnis zu gelangen, dass es von einem Mittelpunkt ausgegangen sein muss. Das Universum war also bei weitem nicht die stabile, feststehende, ewige Leere, die sich alle immer vorgestellt hatten, sondern es hatte einen Anfang. Und ebenso könnte es auch ein Ende haben.

Wie Stephen Hawking anmerkt, ist es eigentlich erstaunlich, dass zuvor noch nie jemand auf die Idee von einem expandierenden Universum gekommen war.³⁵ Ein unbewegliches Universum müsste in sich selbst zusammenfallen - das hätte für Newton und alle anderen denkenden Astronomen seit seiner Zeit eigentlich auf der Hand liegen müssen. Und es gab noch ein weiteres Problem: Wenn die Sterne in einem statischen Universum unendlich lange leuchten, müsste das Ganze unerträglich heiß werden - sicher zu heiß für unsereinen. Ein expandierendes Universum löst viele dieser Schwierigkeiten mit einem Schlag.

Hubble war im Beobachten viel besser als im Nachdenken, und die Folgerungen aus seinen Entdeckungen waren ihm nicht sofort in vollem Umfang klar. Teilweise lag das daran, dass er erbärmlich wenig über Einsteins allgemeine Relativitätstheorie wusste - was wirklich bemerkenswert ist, denn einerseits waren Einstein und seine Theorie mittlerweile weltberühmt, und andererseits nahm Albert Michelson im Jahr 1929 - als er bereits im Zwielicht stand, aber immer noch einer der eifrigsten und angesehensten Wissenschaftler der Welt war - am Mount Wilson Observatory eine Stelle an, um die Lichtgeschwindigkeit mit seinem zuverlässigen Interferometer zu messen; er muss Hubble gegenüber zumindest erwähnt haben, dass Einsteins Theorie sich auch auf dessen Befunde anwenden ließ.

Jedenfalls konnte Hubble keine theoretischen Lorbeeren ernten, als sich die Gelegenheit dazu ergab. Das blieb einem belgischen Geistlichen und Gelehrten namens Georges Lemaître vorbehalten (der am Massachusetts Institute of Technology seinen Doktor gemacht hatte). Er führte die beiden Gedankengänge in seiner »Feuerwerkstheorie« zusammen und äußerte die Vermutung, das Universum habe als geometrischer Punkt begonnen, als »Uratom«, das in Pracht und Herrlichkeit explodiert sei und sich seitdem ständig auseinander bewege. Mit dieser Idee nahm er fast genau die heutige Vorstellung vom Urknall vorweg, aber damit war er seiner Zeit so weit voraus, dass man Lemaître kaum einmal mehr als die ein oder zwei Sätze widmet, die wir auch hier auf ihn verwendet haben. Jahrzehnte mussten noch vergehen, und Penzias und Wilson mussten mit ihrer zischenden Antenne in New Jersey noch die kosmische Hintergrundstrahlung entdecken, bevor der Urknall von einer interessanten Idee zum Gegenstand einer allgemein anerkannten Theorie werden konnte.

In dieser großen Geschichte spielten weder Hubble noch Einstein eine nennenswerte Rolle. Zu jener Zeit wusste es zwar noch niemand, aber beide hatten bereits fast alles geleistet, was sie überhaupt leisten konnten.

Im Jahr 1936 schrieb Hubble ein populärwissenschaftliches Buch mit dem Titel The Realm of the Nebulae ; darin legt er in selbstverliebtem Stil seine eigenen beträchtlichen Leistungen dar. Zumindest jetzt zeigte er auch, dass er sich mit Einsteins Theorie vertraut gemacht hatte, jedenfalls bis zu einem gewissen Punkt: Er widmete ihr vier der rund 200 Seiten.

Hubble starb 1953 an einem Herzinfarkt. Auch im Zusammenhang mit seinem Tod gibt es eine letzte kleine Seltsamkeit. Aus geheimnisumwitterten Gründen lehnte seine Frau es ab, eine Begräbnisfeier zu veranstalten, und sie offenbarte nie, was sie mit dem Leichnam gemacht hatte. Auch 50 Jahre später ist über den Verbleib des größten Astronomen eines ganzen Jahrhunderts nichts bekannt. Wer seiner gedenken will, muss zum Himmel und auf das Hubble-Weltraumteleskop blicken, das 1990 gestartet und zu seinen Ehren so genannt wurde.

9. Das mächtige Atom

Während Einstein und Hubble neue Erkenntnisse über die großen Strukturen des Kosmos sammelten, schlugen andere sich damit herum, etwas näher Liegendes zu verstehen, das aber auf seine Weise genauso weit entfernt war: das winzige, immer noch rätselhafte Atom.

Der große Physiker Richard Feynman vom California Institute of Technology machte einmal eine sehr zutreffende Bemerkung: Wenn man die gesamte Wissenschaftsgeschichte auf eine einzige Aussage reduzieren sollte, müsste diese lauten: »Alle Dinge bestehen aus Atomen.« ¹ Atome sind überall und bilden die Bausteine von allem. Man braucht sich nur umzusehen: Alles setzt sich aus Atomen zusammen -nicht nur feste Gegenstände wie Mauern, Tisch oder Sofa, sondern auch die Luft dazwischen. Und ihre Zahl ist so groß, dass man sie sich nun wirklich nicht vorstellen kann.

Die grundlegende Funktionseinheit aus Atomen ist das Molekül (von dem lateinischen Wort für »kleine Masse« ). Einfach gesagt besteht ein Molekül aus mindestens zwei Atomen, die in einer mehr oder weniger stabilen Anordnung zusammenwirken: Fügt man zwei Wasserstoffatome mit einem Atom Sauerstoff zusammen, entsteht ein Wassermolekül. Chemiker denken meist eher an Moleküle als an Elemente, ganz ähnlich wie ein Schriftsteller, der nicht an die einzelnen Buchstaben denkt, sondern an Wörter. Man zählt also die Moleküle, und die sind, gelinde gesagt, wirklich zahlreich. Auf Meereshöhe und bei 0 °C enthält ein Kubikzentimeter Luft (das ist ungefähr ein Volumen von der Größe eines Zuckerwürfels) nicht weniger als 45 Milliarden Milliarden Moleküle. Und ebenso viele sind auch in jedem anderen Kubikzentimeter um uns herum. Man stelle sich nur vor, wie viele Kubikzentimeter die Welt vor unserem Fenster enthält - wie viele Zuckerwürfel man brauchen würde, um das Blickfeld auszufüllen. Und wie viele sind es erst im Universum! Die Atome sind, kurz gesagt, in wahrhaft riesiger Zahl vorhanden.

Außerdem sind sie unglaublich dauerhaft. Mit ihrer Langlebigkeit kommen die Atome wirklich weit herum. Jedes Atom in einem Menschen hat wahrscheinlich schon Aufenthalte in mehreren Sternen hinter sich und war auf dem Weg zu seiner jetzigen Position schon Bestandteil von Millionen Lebewesen. Jeder von uns besteht bei seinem Tod aus so vielen ständig wieder verwerteten Atomen, dass eine beträchtliche Zahl davon - nach manchen Schätzungen bis zu einer Milliarde in jedem Menschen - vermutlich einst zu Shakespeare gehörte. Jeweils eine weitere Milliarde stammt von Buddha, Dschingis Khan und Beethoven oder jeder anderen historischen Gestalt, die uns einfällt. (Aus der entfernteren Vergangenheit müssen sie allerdings stammen, denn es dauert natürlich ein paar Jahrzehnte, bis die Atome aus einem Körper sich wieder verteilt haben; bisher ist also niemand auf diese Weise mit Elvis Presley vereint, so sehr manch einer sich das auch wünschen mag.)

Jeder von uns ist also eine Reinkarnation - allerdings eine kurzlebige. Wenn wir gestorben sind, lösen unsere Atome sich voneinander und finden anderswo eine neue Verwendung - als Teil eines Blattes, eines anderen Menschen oder eines Tautropfens. Die Atome selbst jedoch leben praktisch ewig.⁴ Wie lange ein Atom erhalten bleiben kann, weiß niemand genau, aber nach Angaben von Martin Rees sind es vermutlich etwa 10 Jahre - eine so große Zahl, dass sogar ich es angenehm finde, sie in verkürzter Schreibweise auszudrücken.

Vor allem aber sind Atome klein - sehr klein. Eine halbe Million von ihnen, nebeneinander aufgereiht, könnten sich hinter einem menschlichen Haar verstecken. Bei solchen Größenverhältnissen ist es praktisch unmöglich, sich ein einzelnes Atom vorzustellen, aber wir können es natürlich versuchen.

Wir fangen mit einem Millimeter an; das ist eine Linie von folgender Länge: -. Jetzt stellen wir uns vor, diese Linie sei in 1000 gleiche Abschnitte unterteilt. Jeder davon ist einen Mikrometer lang. Damit befinden wir uns im Größenbereich der Mikroorganismen. Ein typisches Pantoffeltierchen ist beispielsweise 0,002 Millimeter oder zwei Mikrometer breit und damit wirklich schon sehr klein. Wollte man ein Pantoffeltierchen mit bloßem Auge in einem Wassertropfen schwimmen sehen, müsste man diesen Tropfen bis auf einen Durchmesser von zwölf Metern vergrößern.⁵ Wollte man jedoch die Atome in diesem Tropfen erkennen, müsste er einen Durchmesser von 23 Kilometern haben.

Mit anderen Worten: Für Atome gilt noch einmal ein ganz anderer Kleinheitsmaßstab. Um in den Größenbereich der Atome vorzudringen, müssten wir eine jener Linien von einem Mikrometer nehmen und nochmals in 10000 Abschnitte unterteilen. Erst dann sind wir im Bereich der Atome angelangt: einem Zehnmillionstel Millimeter. Ein solches Ausmaß der Verkleinerung übersteigt die Fähigkeiten unserer Fantasie, aber eine Vorstellung von den Verhältnissen kann man sich verschaffen, wenn man bedenkt, dass ein Atom sich zur Länge einer Linie von einem Millimeter ebenso verhält wie die Dicke eines Blattes Papier zur Höhe des Empire State Building.

Nützlich sind die Atome natürlich wegen ihrer großen Zahl und ihrer extremen Haltbarkeit, und an ihrer Winzigkeit liegt es, dass sie so schwer nachzuweisen und zu verstehen sind. Die Erkenntnis, dass Atome diese drei Eigenschaften haben - sie sind klein, zahlreich und praktisch unzerstörbar - und dass alle Dinge aus ihnen bestehen, hatte als Erster nicht Antoine-Laurent Lavoisier (wie man vielleicht vermuten könnte) und auch nicht Henry Cavendish oder Humphry Davy, sondern ein recht unscheinbarer, nur oberflächlich gebildeter englischer Quäker namens John Dalton, der uns bereits in dem Kapitel über Chemie begegnet ist.

Dalton wurde 1776 am Rand des Lake District nicht weit von Cockermouth als Sohn einer armen Weberfamilie geboren, die überzeugte Quäker waren. (Viele Jahre später erblickte der Dichter William Wordsworth ebenfalls in Cockermouth das Licht der Welt.) John war ein außergewöhnlich intelligenter Schüler - seine Klugheit führte dazu, dass man ihm im ungewöhnlich jungen Alter von zwölf Jahren die Leitung der örtlichen Quäkerschule übertrug. Dies sagt über die Schule vielleicht ebenso viel aus wie über Daltons Frühreife, vielleicht aber auch nicht: Aus seinen Tagebüchern wissen wir, dass er ungefähr zu dieser Zeit bereits Newtons Principia in der lateinischen Originalfassung las und sich auch mit anderen, ähnlich anspruchsvollen Werken beschäftigte. Mit 15 - er war immer noch Schulmeister - nahm er eine Stellung in der nahe gelegenen Kleinstadt Kendal an, und zehn Jahre später zog er nach Manchester, das er während seiner restlichen 50 Lebensjahre kaum noch verließ. In Manchester wurde er so etwas wie ein intellektueller Hansdampf in allen Gassen: Er schrieb Bücher und Aufsätze über ein breites Themenspektrum von der Meteorologie bis zur Grammatik. Die Farbenblindheit, an der er selbst litt, wurde wegen seiner Untersuchungen lange Zeit als Daltonismus bezeichnet. Seinen Ruf begründete er aber durch ein gewichtiges Buch mit dem Titel A New System of Chemical Philosophy, das 1808 erschien.

Darin begegnete den gebildeten Lesern in einem kurzen Kapitel von nur fünf Seiten (das ganze Buch hatte über 900) zum ersten Mal eine annähernd moderne Vorstellung von Atomen. Daltons einfache Erkenntnis lautete: Der innerste Kern aller Materie sind äußerst kleine, nicht weiter teilbare Teilchen. »Ein Wasserstoffteilchen zu zerstören suchen, wäre genauso aussichtslos, wie einen neuen Planeten in das Sonnensystem einzuführen oder einen bereits bestehenden zu leugnen«, schrieb er.⁶

Eigentlich waren weder die Idee, dass es Atome gibt, noch der Begriff wirklich neu. Beide stammten bereits aus der griechischen Antike. Daltons Errungenschaft bestand darin, dass er sich Gedanken darüber machte, wie die Größenverhältnisse und Eigenschaften dieser Atome aussehen und wie sie zusammenpassen. So wusste er beispielsweise, dass Wasserstoff das leichteste Element ist, und deshalb schrieb er ihm ein Atomgewicht von l zu. Außerdem glaubte er, Wasser bestünde aus sieben Teilen Sauerstoff auf einen Teil Wasserstoff; also musste der Sauerstoff nach seiner Überzeugung das Atomgewicht 7 haben. Mit solchen Mitteln gelangte er zu den relativen Gewichten aller bekannten Elemente. Nicht immer hatte er dabei genau Recht - das Atomgewicht des Sauerstoffs beträgt in Wirklichkeit nicht 7, sondern 16 -, aber das Prinzip war stichhaltig und bildet die Grundlage für die gesamte moderne Chemie sowie für große Teile der übrigen modernen Naturwissenschaften.

Mit diesen Arbeiten wurde Dalton berühmt - allerdings nach Art der englischen Quäker auf eine bescheidene Weise. Der französische Chemiker P. J. Pelletier reiste 1826 nach Manchester, um den Helden der Atome kennen zu lernen. Pelletier rechnete damit, er werde Dalton an einer großen Institution vorfinden, und musste dann zu seinem Erstaunen feststellen, dass er kleinen Jungen an einer Schule in einer Seitenstraße die Grundlagen der Arithmetik beibrachte. Wie der Wissenschaftshistoriker E. J. Holmyard berichtet, stammelte Pelletier, nachdem er den berühmten Mann gesehen hatte, völlig verwirrt:

»Est-ce que j’ai l’honneur de m’adresser à Monsieur Dalton?« Er traute seinen Augen kaum: Derselbe Mann, der hier einem Jungen die Grundrechnungsarten beibrachte, sollte der in ganz Europa berühmte Chemiker sein? »Ja«, sagte der Quäker kurz angebunden. »Nehmen Sie doch Platz, bis ich dem Kleinen hier seine Arithmetik eingetrichtert habe.«

Dalton versuchte zwar, sich allen Ehrungen zu entziehen, aber er wurde gegen seinen Wunsch in die Royal Society gewählt, mit Orden überhäuft und mit einer hübschen staatlichen Pension ausgestattet. Als er 1844 starb, erwiesen ihm 40000 Menschen die letzte Ehre, und der Trauerzug war drei Kilometer lang.⁹ Der Eintrag über ihn ist einer der längsten im Dictionary of National Biography., vergleichbar unter den Wissenschaftlern des 19. Jahrhunderts nur mit denen von Darwin und Lyell.

Nachdem Dalton seine Gedanken geäußert hatte, blieben sie noch 100 Jahre eine reine Hypothese,¹⁰ und einige angesehene Wissenschaftler - insbesondere der Wiener Physiker Ernst Mach, nach dem die Schallgeschwindigkeit benannt ist - bezweifelten, dass es überhaupt Atome gibt. »Atome sind mit den Sinnen nicht wahrzunehmen ... sie sind ein reines Gedankenprodukt«, schrieb Mach. An der Existenz der Atome bestanden insbesondere im deutschsprachigen Raum so starke Zweifel, dass das Thema angeblich sogar für den Selbstmord des großen theoretischen Physikers und begeisterten Atomanhängers Ludwig Boltzmann im Jahr 1906 eine Rolle gespielt haben soll.¹¹

Den ersten unwiderleglichen Beweis für die Existenz der Atome lieferte Einstein 1905 mit seinem Aufsatz über die Brown’sche Molekularbewegung, aber diese Arbeit erregte kaum Aufmerksamkeit, und Einstein wurde ohnehin schon wenig später völlig durch seine Arbeit an der allgemeinen Relativitätstheorie in Anspruch genommen. Der erste wahre Held des Atomzeitalters, ja eigentlich sogar überhaupt die erste Gestalt auf dieser Bühne, war Ernest Rutherford.

Rutherford wurde 1871 in einer abgelegenen Ecke von Neuseeland geboren. Seine Eltern waren aus Schottland eingewandert, bauten Flachs an und zogen viele Kinder groß (so eine Formulierung von Steven Weinberg). Aufgewachsen in einem abgelegenen Teil eines abgelegenen Landes, war er von den Hauptströmungen der Wissenschaft so weit entfernt, wie es überhaupt nur möglich war, aber 1895 erhielt er ein Stipendium, das ihm die Arbeit am Cavendish Laboratory der Universität Cambridge ermöglichte, und das war so ungefähr der angesagteste Ort der Welt, wenn man Physik betreiben wollte.

Physiker sind berüchtigt für die Verachtung, die sie Wissenschaftlern anderer Fachgebiete entgegenbringen. Als die Frau des großen österreichischen Physikers Wolfgang Pauli ihn wegen eines Chemikers verließ, war er vor Unglauben sprachlos.

»Wenn sie einen Stierkämpfer genommen hätte, das hätte ich ja noch verstanden«, meinte er einmal verwundert zu einem Freund, »aber ein Chemiker .«

Dieses Gefühl hätte auch Rutherford nachempfinden können.¹⁴ »Naturwissenschaft ist entweder Physik oder Briefmarkensammeln«, sagte er einmal, und dieser Ausspruch wurde seither vielfach wiederholt. Es entbehrt deshalb nicht einer gewissen Ironie, dass er den Nobelpreis 1908 nicht für Physik bekam, sondern für Chemie.

Rutherford hatte Glück - einerseits, weil er ein Genie war, vor allem aber weil er in einer Zeit lebte, als Physik und Chemie so spannend waren und einander (seinen eigenen Empfindungen zum Trotz) so gut ergänzten. Derart angenehme Überschneidungen sollte es später nie mehr geben.

Bei allen seinen Erfolgen war Rutherford nicht besonders scharfsinnig, und seine Kenntnisse in Mathematik waren sogar ziemlich schlecht. In seinen Vorlesungen verlor er sich häufig so sehr in seinen eigenen Gleichungen, dass er auf halbem Wege aufgeben und den Studenten sagen musste, sie sollten es selbst herausfinden.¹⁵ Nach den Berichten seines langjährigen Kollegen James Chadwick, der die Neutronen entdeckte, war er nicht einmal beim Experimentieren besonders schlau, sondern nur hartnäckig und aufgeschlossen. Was ihm an Eleganz fehlte, machte er jedoch durch Vielseitigkeit und eine Art Wagemut wett. Sein Geist arbeitete nach den Worten eines Biografen »immer an den Grenzen dessen, was er erkennen konnte, und das war beträchtlich mehr als bei den meisten anderen Menschen«.¹⁶ Angesichts eines unlösbaren Problems war Rutherford bereit, länger und härter zu arbeiten als die meisten anderen, und dabei war er auch aufgeschlossener für unorthodoxe Erklärungen. Seine größte Entdeckung gelang ihm, weil er unglaublich lange Stunden vor einem Bildschirm saß und die so genannte Szintillation von Alphateilchen zählte - eine Arbeit, die man normalerweise delegiert. Als einer der Ersten - vielleicht sogar überhaupt als Erster - erkannte er, dass man durch Nutzbarmachung der in den Atomen steckenden Kräfte eine Bombe bauen kann, die »diese alte Welt in Rauch aufgehen lässt«.

Körperlich war er groß und kräftig, und seine Stimme ließ ängstliche Charaktere zusammenzucken. Als ein Kollege hörte, Rutherford solle in einer Radiosendung auftreten, die über den Atlantik übertragen wurde, fragte er trocken: »Wozu braucht er das Radio?« Außerdem besaß er ein gerüttelt Maß an gutmütigem Selbstvertrauen. Einmal meinte jemand zu ihm, er scheine immer auf dem Kamm einer Welle zu reiten; darauf erwiderte Rutherford: »Kann sein, aber ich habe doch die Welle gemacht, oder?« C. P. Snow berichtet, wie er einmal in einem Schneiderladen in Cambridge eine Bemerkung von Rutherford mithörte: »Mein Bauch wird jeden Tag größer. Mein Geist auch.« ¹⁹ *

1895 jedoch, als Rutherford am Cavendish Laboratory anfing, lagen Bauch und Ruhm noch weit in der Zukunft. Es war in der Naturwissenschaft eine Phase von einzigartigem Ereignisreichtum. In dem Jahr, als Rutherford in Cambridge eintraf, entdeckte Wilhelm Röntgen an der Universität Würzburg die nach ihm

* Der Name erinnert an die gleiche Familie Cavendish, aus der auch Henry stammte. Das Labor wurde nach William Cavendish, dem siebten Duke von Devonshire benannt, der im viktorianischen England ein begabter Mathematiker und Stahlmagnat war. Er stiftete der Universität 1870 die Summe von 6300 Pfund, damit sie ein Experimentallabor bauen konnte.

benannten Strahlen, und im folgenden Jahr stieß Henri Becquerel auf die Radioaktivität. Und am Cavendish Laboratory selbst begann eine lange Phase großartiger Errungenschaften. Hier entdeckten J. J. Thomson und seine Kollegen 1897 das Elektron, 1911 baute C.T. R. Wilson den ersten Teilchendetektor (auf den wir noch genauer zu sprechen kommen werden), und 1932 entdeckte James Chadwick das Neutron. Und in noch fernerer Zukunft, 1953, sollten James Watson und Francis Crick an dem gleichen Ort die Struktur der DNA aufklären.

Anfangs beschäftigte sich Rutherford mit Funkwellen, und das durchaus mit Erfolg: Es gelang ihm, ein deutliches Signal über weit mehr als einen Kilometer zu übertragen, zu jener Zeit eine beachtliche Leistung. Dann aber gab er die Arbeiten auf, weil ein älterer Kollege ihn überzeugt hatte, dass es für den Funk kaum eine Zukunft gebe.²⁰ Insgesamt betrachtet, ging es Rutherford am Cavendish Laboratory allerdings nicht besonders gut. Als er nach drei Jahren den Eindruck gewonnen hatte, dass seine Bemühungen ihn nicht weiterführten, übernahm er eine Stelle an der McGill University in Montreal, und dort begann sein langer, stetiger Aufstieg zum Ruhm. Als er den Nobelpreis erhielt (für »Untersuchungen zum Zerfall der Elemente und zur Chemie radioaktiver Substanzen«, so die offizielle Formulierung), hatte er bereits an die Universität Manchester gewechselt, und dort unternahm er seine wichtigsten Forschungsarbeiten zur Aufklärung von Struktur und Eigenschaften der Atome.

Anfang des 20. Jahrhunderts wusste man bereits, dass Atome aus verschiedenen Teilen bestehen - das hatte Thomson mit seiner Entdeckung des Elektrons nachgewiesen; wie viele Teile es sind, wie sie zusammenpassen und welche Form sie haben, war jedoch nicht geklärt. Manche Physiker vermuteten, die Atome könnten würfelförmig sein, denn Würfel kann man dicht zusammenpacken, ohne dass Platz verschwendet wird. Allgemein herrschte jedoch die Ansicht vor, ein Atom habe Ähnlichkeit mit einem Rosinenbrötchen: Ein dichtes, festes Gebilde, das eine positive Ladung trägt, aber mit negativ geladenen Elektronen besetzt ist wie das Brötchen mit den Rosinen.

Im Jahr 1910 beschoss Rutherford (mit Hilfe seines Studenten Hans Geiger, der später das nach ihm benannte* Strahlen-Nachweisinstrument erfand ) Goldfolie mit ionisierten Heliumatomen, die man auch Alphateilchen nennt. Zu Rutherfords Überraschung prallten manche Teilchen ab. Es war, so erklärte er, als habe er eine 15-Zoll-Granate auf ein Blatt Papier gefeuert, und sie sei in seine Arme zurückgeschleudert worden. Damit hatte niemand gerechnet. Nach eingehendem Nachdenken erkannte er, dass es eigentlich nur eine Erklärungsmöglichkeit gab: Die Teilchen, die zurückgeworfen wurden, waren im Inneren des Atoms auf etwas sehr Kleines, Dichtes gestoßen, die anderen Teilchen dagegen waren ungehindert hindurchgeflogen. Ein Atom, das erkannte Rutherford jetzt, besteht zum größten Teil aus leerem Raum, hat aber in der Mitte einen sehr dichten Kern. Es war eine höchst erfreuliche Entdeckung, aber sie warf sofort ein Problem auf. Nach allen Gesetzen der herkömmlichen Physik dürfte es eigentlich keine Atome geben.

Halten wir einmal kurz inne und betrachten wir, was wir heute über den Aufbau der Atome wissen. Jedes Atom besteht aus dreierlei Elementarteilchen: den positiv

*Geiger wurde später übrigens zu einem überzeugten Nazi, der ohne Zögern jüdische Kollegen verriet, darunter viele, die ihm geholfen hatten.

geladenen Protonen, den negativ geladenen Elektronen und den Neutronen, die überhaupt keine Ladung tragen. Protonen und Neutronen liegen dicht gedrängt im Atomkern, den die Elektronen in einiger Entfernung

umkreisen. Die Zahl der Protonen ist entscheidend für die chemische Identität eines Atoms. Enthält es ein Proton, handelt es sich um ein Wasserstoffatom, ein Atom mit zwei Protonen ist Helium, mit drei Protonen Lithium und so weiter. Mit jedem neuen hinzukommenden Proton entsteht ein neues Element. (Da der Zahl der Protonen in einem Atom immer die gleiche Zahl von Elektronen gegenüb ersteht, liest man manchmal auch, dass die Zahl der Elektronen ein Element definiert; das läuft aber auf das Gleiche hinaus. Mir hat man es so erklärt, dass die Protonen einem Atom seine Identität verleihen und die Elektronen für seine Persönlichkeit verantwortlich sind.)

Neutronen wirken sich nicht auf die Identität eines Atoms aus, tragen aber zu seiner Masse bei. Ihre Zahl ist in der Regel ungefähr ebenso groß wie die der Protonen, sie kann aber nach oben und unten ein wenig schwanken. Durch ein oder zwei Neutronen mehr entsteht ein neues Isotop.²³ Die Zahlen, die man im Zusammenhang mit archäologischen Datierungsverfahren hört, bezeichnen Isotope: Kohlenstoff-14 beispielsweise ist ein Kohlenstoffatom mit sechs Protonen und acht Neutronen (zusammen also 14 Teilchen).

Neutronen und Protonen bilden den Atomkern. Dieser Kern ist winzig - er nimmt vom Gesamtvolumen des Atoms nur ein Millionstel eines Milliardstels in Anspruch. Andererseits ist er aber unglaublich dicht, denn er enthält praktisch die gesamte Masse des Atoms. Cropper formuliert es so: Würde man ein Atom auf die Ausmaße einer Kathedrale vergrößern, wäre der Kern nur ungefähr so groß wie eine Fliege - aber die wäre viele tausend Mal schwerer als die Kathedrale.²⁵ Diese Geräumigkeit - diese unglaubliche, überraschende Menge an leerem Raum - war es, was Rutherford 1910 ins Grübeln brachte.

Noch heute ist es eine recht erstaunliche Vorstellung, dass Atome vorwiegend aus leerem Raum bestehen und dass die feste Materie, die wir überall um uns herum wahrnehmen, eigentlich eine Illusion ist. Wenn zwei Gegenstände in unserer Wirklichkeit zusammentreffen -als Beispiel dienen meist Billardkugeln -, stoßen sie in Wirklichkeit nicht aneinander, sondern, wie Timothy Ferris erklärt, »die negativ geladenen Felder der beiden Kugeln stoßen einander ab ... und sie könnten, wenn nicht ihre gleichmäßige elektrische Ladung sie daran hinderte, einander wie Galaxien unversehrt durchdringen«. Wenn ich auf einem Stuhl sitze, sitze ich eigentlich nicht dort, sondern ich schwebe in einer Höhe von ungefähr einem Ängström (einem Hundertmillionstel Zentimeter) darüber, weil meine Elektronen und die des Stuhls sich jedem engeren Kontakt widersetzen.

In dem Bild eines Atoms, das fast jeder im Kopf hat, kreisen ein oder zwei Elektronen um den Atomkern wie Planeten um die Sonne. Dieses Bild schuf der japanische Physiker Hantaro Nagaoka im Jahr 1904, und dabei stützte er sich eigentlich nur auf kluge Vermutungen. Es ist völlig falsch, hält sich aber hartnäckig. Isaac Asimov wies gern darauf hin, dass es Generationen von SciencefictionAutoren zu Geschichten von der Welt in der Welt anregte, von Atomen, die zu winzigen, bewohnten Sonnensystemen wurden, oder von unserem Sonnensystem, das sich nur als winziger Baustein von etwas viel Größerem erweist. Noch heute benutzt CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, Nagaokas Bild als Logo für ihre Website. In Wirklichkeit erkannten die Physiker schon recht bald, dass Elektronen keineswegs kreisende Planeten sind, sondern eher die Blätter eines rotierenden Propellers, die jedes Stückchen Raum in ihrer Umlaufbahn gleichzeitig ausfüllen (allerdings mit dem entscheidenden Unterschied, dass die Propellerblätter nur überall zugleich zu sein scheinen; Elektronen sind es wirklich).

Es braucht wohl nicht besonders betont zu werden, dass man 1910 und noch viele Jahre danach von alledem kaum etwas wusste. Rutherfords Befund warf sofort einige große Probleme auf; nicht zuletzt sollte man ja auch annehmen, dass ein Elektron nicht um den Atomkern kreist, sondern in ihn hineinstürzt. Nach der herkömmlichen Theorie der Elektrodynamik verliert ein fliegendes Elektron sehr schnell - in einem kurzen Augenblick - seine Energie, sodass es sich spiralförmig in Richtung des Atomkerns bewegt, was für beide katastrophale Folgen hat. Außerdem stellte sich die Frage, warum die Protonen mit ihrer positiven Ladung im Atomkern zusammenbleiben und nicht auseinander fliegen, sodass das ganze Atom sich auflöst. Was in der Welt des Allerkleinsten auch vorgehen mochte, es unterlag ganz eindeutig nicht den Gesetzen der makroskopischen Erfahrungen, auf die sich unsere Erwartungen stützen.

Als die Physiker immer tiefer in den subatomaren Bereich eindrangen, erkannten sie, dass er sich nicht nur von allem unterscheidet, was man bis dahin kannte, sondern auch von allem, was man sich überhaupt vorstellen konnte. Richard Feynman meinte dazu einmal: »Da Atome sich so ganz anders verhalten, als nun dies auch unserer alltäglichen Erfahrung vertraut ist, fällt es äußerst schwer, sich daran zu gewöhnen; jedem, sowohl dem Neuling auf diesem Gebiet wie auch dem erfahrenen Physiker, erscheint es seltsam und geheimnisvoll.« Als Feynman das sagte, hatten die Physiker bereits ein halbes

Jahrhundert Zeit gehabt, sich auf das seltsame Verhalten der Atome einzustellen. Man stelle sich nur vor, wie Rutherford und seine Kollegen sich kurz nach 1910 gefühlt haben müssen, als das alles völlig neu war.

Einer von Rutherfords Mitarbeitern war ein sanftmütiger, umgänglicher Däne namens Niels Bohr. Als er 1913 über dem Aufbau des Atoms rätselte, kam ihm eine so spannende Idee, dass er sogar seine Flitterwochen verschob und erst einmal einen Aufsatz schrieb, der sich als bahnbrechend erweisen sollte. Da die Physiker ein Gebilde von der Größe eines Atoms nicht sehen konnten, mussten sie es zu beeinflussen versuchen und dann aus seinem Verhalten auf seine Struktur schließen, wie Rutherford es getan hatte, als er eine Folie mit Alphateilchen bombardierte. Wie nicht anders zu erwarten, führten solche Experimente manchmal zu verblüffenden Ergebnissen. Ein Rätsel, das schon seit langer Zeit im Raum stand, hatte mit den Wellenlängen des Wasserstoffs im Spektrum zu tun. Das beobachtete Muster zeigte, dass Wasserstoffatome ihre Energie mit ganz bestimmten Wellenlängen abgeben, mit anderen jedoch nicht. Es war, als ob man jemanden beobachtete, der immer an bestimmten Stellen auftauchte, ohne dass man jemals sehen konnte, wie er von einem Ort zum anderen gelangte. Warum das so war, wusste niemand.

Als Bohr an diesem Problem herumrätselte, fiel ihm eine Lösung ein, und er schrieb seinen berühmten Artikel. Unter dem Titel »Über den Aufbau der Atome und Moleküle« erklärte er, wie den Elektronen der Sturz in den Atomkernen erspart bleiben konnte: Dazu, so seine Vermutung, müssten sie nur ganz bestimmte, genau definierte Umlaufbahnen besetzen. Nach dieser neuen Theorie würde ein Elektron, das zwischen zwei Umlaufbahnen wechselt, aus der einen verschwinden und sofort in der anderen auftauchen, ohne sich in dem Raum zwischen ihnen aufzuhalten. Diese Idee vom so genannten »Quantensprung« hört sich natürlich sehr seltsam an, aber sie war so gut, dass sie einfach wahr sein musste. Sie verhinderte nicht nur, dass Elektronen auf die katastrophale Spiralbahn in Richtung des Atomkerns gerieten, sondern sie erklärte gleichzeitig auch die verwirrenden Wellenlängen des Wasserstoffspektrums. Die Elektronen tauchen nur in bestimmten Umlaufbahnen auf, weil sie nur in bestimmten Umlaufbahnen existieren. Das war eine verblüffende Erkenntnis, und sie brachte Bohr 1922, ein Jahr nach Einstein, den Nobelpreis ein.

In der Zwischenzeit entwickelte der unermüdliche Rutherford, der mittlerweile die Nachfolge von J. J. Thomson als Leiter des Cavendish Laboratory angetreten hatte und sich wieder in Cambridge befand, ein Modell zur Beantwortung der Frage, warum der Atomkern nicht auseinander fliegt. Er erkannte, dass es dort noch andere, neutralisierende Teilchen geben musste, die er deshalb als Neutronen bezeichnete. Es war eine einfache, reizvolle Idee, aber sie war nicht leicht zu beweisen. Rutherfords Mitarbeiter James Chadwick widmete der Suche nach den Neutronen elf Jahre harter Arbeit, bevor er 1932 schließlich Erfolg hatte. Auch er erhielt 1935 den PhysikNobelpreis. Boorse und seine Kollegen vertreten in ihrer historischen Darstellung des Themas im Übrigen die Ansicht, die verspätete Entdeckung sei vermutlich sehr vorteilhaft gewesen, denn die Beherrschung der Neutronen war eine unabdingbare Voraussetzung für die Entwicklung der Atombombe. (Da Neutronen keine Ladung tragen, werden sie von den elektrischen Feldern im Inneren eines Atoms nicht abgestoßen, und man kann sie wie winzige Torpedos auf den Atomkern schießen, was dann den zerstörerischen Vorgang der Kernspaltung in Gang setzt.)

Hätte man das Neutron schon in den zwanziger Jahren dingfest gemacht, so Boorse, »wäre die Atombombe zuerst höchstwahrscheinlich in Europa entwickelt worden, und zwar zweifellos von den Deutschen«.

So jedoch hatten die Europäer alle Hände voll zu tun, das seltsame Verhalten der Elektronen zu begreifen. Vor allem standen sie vor dem Problem, dass ein Elektron sich manchmal wie ein Teilchen und manchmal wie eine Welle verhielt. Diese unverständliche Dualität trieb die Physiker fast zur Verzweiflung. Während der folgenden zehn Jahre dachten sie überall in Europa angestrengt nach, kritzelten Zahlen und boten konkurrierende Hypothesen an. Prinz Louis-Victor de Broglie, Spross einer Familie französischer Herzöge, fand beispielsweise heraus, dass bestimmte Anomalien im Verhalten der Elektronen verschwinden, wenn man sie als Welle betrachtet. Auf diesen Befund wurde der Österreicher Erwin Schrödinger aufmerksam: Er brachte einige raffinierte Verfeinerungen an und entwickelte ein nützliches System, das als Wellenmechanik bezeichnet wurde. Fast zur gleichen Zeit stellte der deutsche Physiker Werner Heisenberg eine Konkurrenztheorie vor, die er Matrizenmechanik nannte. Sie war mathematisch so kompliziert, dass kaum jemand sie wirklich verstand, auch Heisenberg selbst nicht ( »Ich weiß nicht einmal, was eine Matrix ist«, sagte der Physiker einmal verzweifelt zu einem Freund ), aber anscheinend löste sie manche Probleme, die mit Schrödingers Wellenmechanik nicht zu erklären waren.

Nun hatte die Physik zwei Theorien, die von gegensätzlichen Voraussetzungen aus gingen und zu den gleichen Ergebnissen führten. Es war eine unmögliche Situation.

Im Jahr 1926 schließlich schlug Heisenberg zur allgemeinen Erleichterung einen Kompromiss vor, und daraus entstand ein neues Fachgebiet, das unter dem Namen Quantenmechanik bekannt wurde. Ihr Kernstück war die Heisenberg’sche Unschärferelation: Es besagt, dass das Elektron ein Teilchen ist, das sich aber mit Wellenbegriffen beschreiben lässt. Die Unschärfe, auf der die gesamte Theorie aufbaut, besteht darin, dass wir den Weg eines Elektrons kennen können, wenn es sich durch den Raum bewegt, oder aber den Ort, an dem es sich zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet; man kann aber niemals beides genau feststellen. Jeder Versuch, eines von beiden zu messen, führt zwangsläufig zu einer Beeinträchtigung des anderen. Dabei handelt es sich nicht um einen Mangel an ausreichend genauen Messinstrumenten, sondern es ist eine unveränderliche Eigenschaft des Universums.

In der Praxis bedeutet das, dass man nie genau voraussagen kann, wo sich ein Elektron in einem bestimmten Augenblick aufhält. Man kann nur die Wahrscheinlichkeit benennen, dass es dort ist. In einem gewissen Sinn, so eine Formulierung von Dennis Overbye, existiert das Elektron erst dann, wenn man es beobachtet. Oder, etwas anders ausgedrückt: Solange man ein Elektron nicht beobachtet, muss man davon ausgehen, dass es sich »überall und nirgendwo zugleich« befindet.³¹

Wem das verwirrend erscheint, der findet vielleicht ein wenig Trost in dem Gedanken, dass auch die Physiker verwirrt waren. Laut Overbye bemerkte Bohr einmal, »wer zum ersten Mal von der Quantentheorie hörte und nicht empört sei ... der habe sie nicht richtig verstanden«. Und als Heisenberg gefragt wurde, wie man sich ein Atom vorstellen solle, erwiderte er: »Versucht es gar nicht erst!«

Nun hatte sich also herausgestellt, dass ein Atom ganz und gar nicht dem Bild entspricht, das die meisten Menschen sich davon gemacht hatten. Die Elektronen fliegen nicht um den Zellkern wie Planeten um die Sonne, sondern man muss sie sich eher als formlose, wolkenähnliche Gebilde vorstellen. Die »Hülle« eines Atoms ist keine harte, glänzende Kapsel, wie Zeichnungen es uns manchmal weismachen wollen, sondern nur die äußerste dieser unscharfen Elektronenwolken. Die Wolke selbst ist eigentlich bloß eine Zone der statistischen Wahrscheinlichkeit und kennzeichnet den Bereich, außerhalb dessen das Elektron nur selten anzutreffen ist.³⁴ Könnte man ein Atom sehen, hätte es also eher Ähnlichkeit mit einem sehr verwaschenen Tennisball als mit einer scharf abgegrenzten Metallkugel (in Wirklichkeit sieht es allerdings wie keines von beiden aus und auch nicht wie irgendetwas anderes, das wir schon gesehen haben; wir haben es hier mit einer ganz anderen Welt zu tun als der, die wir um uns herum wahrnehmen).

Die Seltsamkeiten schienen kein Ende zu nehmen. Zum ersten Mal waren die Wissenschaftler »auf einen Bereich des Universums gestoßen, zu dessen Verständnis die Verdrahtung unseres Gehirns nicht ausreicht«, wie James Trefil es formulierte. Oder mit den Worten von Feynman: »Dinge in kleinem Maßstab verhalten sich keineswegs wie Dinge in großem Maßstab.« Als die Physiker sich näher damit beschäftigten, erkannten sie, was für eine Welt sie entdeckt hatten: Hier konnten Elektronen nicht nur von einer Umlaufbahn in die andere springen, ohne den dazwischenliegenden Raum zu durchqueren, sondern Materie konnte auch aus dem Nichts zu existieren beginnen - »vorausgesetzt, sie verschwindet ausreichend schnell wieder«, so Alan Lightman vom Massachusetts Institute of Technology.

Der vielleicht faszinierendste unwahrscheinliche Aspekt der Quantenmechanik ist eine Idee, die sich aus dem Ausschlussprinzip ergibt, das Wolfgang Pauli 1925 formulierte: Danach »wissen« paarweise zusammengehörige subatomare Teilchen selbst dann, wenn sie durch beträchtliche Entfernungen getrennt sind, was der jeweils andere Partner gerade tut. Teilchen haben eine Eigenschaft, die man als Spin bezeichnet, und nach der Quantentheorie braucht man nur den Spin eines Teilchens festzustellen, dann nimmt sein Schwesterteilchen im gleichen Augenblick den entgegengesetzten, ebenso großen Spin an, ganz gleich, wie weit es entfernt ist.

Zur Verdeutlichung schreibt der Wissenschaftsautor Lawrence Joseph: Stellen wir uns zwei genau gleiche Billardkugeln vor, von denen sich die eine in Ohio und die andere auf den Fidschi-Inseln befindet; sobald wir die eine in Drehung versetzen, beginnt die andere genau mit der gleichen Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung zu rotieren. Dass dieses Phänomen tatsächlich existiert, wurde 1997 bewiesen: Damals schickten Physiker der Universität Genf Photonen elf Kilometer weit in entgegengesetzte Richtungen und wiesen nach, dass ein Eingriff bei einem davon auch bei dem anderen sofort zu einer Reaktion führt.

Die Sache gewann eine solche Dynamik, dass Bohr auf einer Tagung über eine neue Theorie meinte, es sei nicht die Frage, ob sie verrückt sei, sondern ob sie verrückt genug sei. Um deutlich zu machen, wie sehr die Quantenwelt der Intuition widerspricht, formulierte Schrödinger ein berühmtes Gedankenexperiment. Darin sitzt eine hypothetische Katze in einer Schachtel, in der ein Atom einer radioaktiven Substanz an ein Gefäß mit Blausäure geheftet ist. Zerfällt das Teilchen innerhalb einer Stunde, löst es einen Mechanismus aus, durch den das Gefäß zerbricht und die Katze vergiftet wird. Geschieht das nicht, überlebt die Katze. Da wir aber nicht wissen, welche der beiden Fälle eintritt, haben wir wissenschaftlich keine andere Wahl, als die Katze als zu 100 Prozent lebendig und gleichzeitig zu 100 Prozent tot zu betrachten. Das bedeutet, wie Stephen Hawking mit einem Hauch verständlicher Erregung feststellt: »Man kann künftige Ereignisse nicht exakt voraussagen, wenn man noch nicht einmal in der Lage ist, den gegenwärtigen Zustand des Universums genau zu messen!« ⁴⁰

Wegen solcher Seltsamkeiten hatten viele Physiker eine Abneigung gegen die Quantentheorie oder zumindest gegen einige ihrer Aspekte, und für keinen galt das stärker als für Einstein. Es entbehrte nicht einer gewissen Ironie, war er es doch in seinem traumhaften Jahr 1905 gewesen, der so überzeugend erklärt hatte, dass die Photonen des Lichts sich manchmal als Teilchen und manchmal als Welle verhalten können - die Vorstellung, die das Kernstück der neuen Physik bildete. »Die Quantentheorie ist durchaus beachtenswert«, meinte er einmal höflich, aber eigentlich mochte er sie nicht. Sein berühmter* Ausspruch dazu lautete: »Gott würfelt nicht.«

Einstein konnte den Gedanken nicht ertragen, dass Gott ein Universum geschaffen haben soll, in dem man manche Dinge prinzipiell nicht wissen kann. Außerdem war die Vorstellung von Fernwirkungen - dass ein Teilchen im gleichen Augenblick ein anderes beeinflussen kann, das sich Milliarden Kilometer weit entfernt befindet - eine krasse Verletzung der speziellen Relativitätstheorie. Diese besagte ausdrücklich, dass nichts die Lichtgeschwindigkeit übertreffen kann, und nun beharrten die Physiker darauf, dass Informationen im subatomaren Maßstab doch dazu in der Lage waren. (Nebenbei bemerkt: Bis heute hat niemand erklärt, wie die Teilchen diese Leistung vollbringen. Die Wissenschaftler bewältigten dieses Problem, »indem sie nicht darüber nachdachten«, so eine Vor allem aber stellte sich das Problem, dass mit der Quantenphysik ein Maß an »Unsauberkeit« ins Spiel kam, das es zuvor nicht gegeben hatte. Plötzlich brauchte man zwei Systeme von Gesetzmäßigkeiten, um das Verhalten des Universums zu erklären - die Quantentheorie für die Welt des Allerkleinsten, die Relativitätstheorie für das Universum darum herum. Mit der Gravitation der Relativitätstheorie ließ sich ausgezeichnet erklären, warum Planeten um Sonnen kreisen oder warum Galaxien zu Haufenbildung neigen, aber wie sich herausstellt, hat sie auf der Ebene der Elementarteilchen keinerlei Auswirkungen. Um zu erklären, was die Atome zusammenhält, brauchte man andere Kräfte, und zwei solche Kräfte entdeckte man in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts: die starke und die schwache atomare Wechselwirkung. Die starke Wechselwirkung hält die Atome zusammen und ermöglicht es den Protonen, sich im Atomkern miteinander zu verbinden. Die schwache Wechselwirkung erfüllt eine ganze Reihe verschiedener Aufgaben, die meist mit der Steuerung bestimmter Formen des radioaktiven Zerfalls zu tun haben.

Die schwache atomare Wechselwirkung ist trotz ihres Namens zehn Milliarden Milliarden Milliarden Mal stärker als die Gravitation, und die starke Wechselwirkung ist noch kräftiger - sogar ungeheuer viel kräftiger -, aber beide üben ihren Einfluss nur auf winzigste Entfernungen aus. Der Einflussbereich der starken Wechselwirkung umfasst nur 1/100000 des Durchmessers eines Atoms.⁴³ Das ist der Grund, warum Atomkerne so kompakt und dicht sind, und warum Elemente mit einem großen Atomkern aus vielen Teilchen meist instabil sind: Die starke Wechselwirkung kann einfach nicht alle Protonen zusammenhalten.

Unter dem Strich hatte das alles zur Folge, dass es in der Physik zwei Systeme von Gesetzmäßigkeiten gab, eines für die Welt des sehr Kleinen, das andere für das große Universum, und beide führten ein völlig getrenntes Eigenleben. Diese Situation gefiel auch Einstein nicht. Den Rest seines Lebens widmete er der Suche nach einem Weg, um beide in einer großen vereinheitlichten Theorie zusammenzuführen, aber darin scheiterte er. Hin und wieder glaubte er, es sei gelungen, aber am Ende löste sich jedes Mal alles in Luft auf. Im Laufe der Zeit wurde er immer mehr zur Randerscheinung und sogar zum Gegenstand des Mitleids. Oder, wie Snow es formuliert: »Seine Kollegen glaubten und glauben noch heute fast ohne Ausnahme, dass er die zweite Hälfte seines Lebens vergeudete.« ⁴⁴

Anderswo jedoch machte man echte Fortschritte. Mitte der vierziger Jahre waren die Wissenschaftler so weit, dass sie das Atom weitgehend verstanden - das zeigte sich nur allzu deutlich im August 1945, als über Japan zwei Atombomben detonierten.

Als es so weit war, glaubten die Physiker, sie hätten das Atom im Griff, und diese Ansicht ist durchaus verständlich. In Wirklichkeit jedoch sollte alles in der Teilchenphysik noch erheblich komplizierter werden. Aber bevor wir diese ein wenig anstrengende Geschichte in Angriff nehmen, müssen wir noch einen anderen Strang unserer historischen Handlung weiterverfolgen.

Es ist eine wichtige, heilsame Geschichte über Habsucht, Betrug, schlechte Wissenschaft, mehrere unnötige Todesfälle und die endgültige Klärung der Frage, wie alt die Erde ist.

10. Weg mit dem Blei!

Ende der vierziger Jahre des 20. Jahrhunderts wollte Clair Patterson, ein Doktorand der Universität von Chicago (der trotz seines Vornamens ein Farmersohn aus Iowa war) mit einer neuen Methode der Bleiisotopenmessung endlich herausfinden, wie alt die Erde wirklich ist. Leider war sein Probenmaterial ausnahmslos verunreinigt - und zwar meist sehr stark. In der Regel enthielt es das Zweihundertfache der Bleimenge, mit der man normalerweise rechnen würde. Es mussten noch viele Jahre vergehen, bevor Patterson erkannte, dass die Ursache bei einem unglückseligen Erfinder aus Ohio namens Thomas Midgley jun. lag.

Midgley war von seiner Ausbildung her Ingenieur und die Welt wäre zweifellos sicherer, wenn er bei diesem Beruf geblieben wäre. Stattdessen erwachte bei ihm aber ein Interesse an den industriellen Anwendungsmöglichkeiten der Chemie. Im Jahr 1921 - er arbeitete damals bei der General Motors Research Corporation in Dayton, Ohio - beschäftigte er sich mit einer Verbindung namens Tetraethylblei (zur allgemeinen Verwirrung häufig auch Bleitetraethyl genannt). Dabei entdeckte er, dass diese Substanz bei Automotoren die Geräusche, die man meist als Klopfen bezeichnet, erheblich vermindert.

Zwar war allgemein bekannt, dass Blei gefährlich ist, in den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts war es aber dennoch in allen möglichen Konsumprodukten zu finden. Lebensmittel verpackte man in Konservendosen, die mit Bleilot verschlossen waren. Wasser wurde häufig in Tanks mit Bleiauskleidung aufbewahrt. In Form von Bleiarsenid sprühte man es als Pestizid auf Früchte. Sogar in Zahnpastatuben war es enthalten. Es gab kaum ein Produkt, das zum Leben der Konsumenten nicht ein wenig Blei beisteuerte. Den stärksten und dauerhaftesten Kontakt verursachte es jedoch als Beimischung zum Benzin.

Blei ist ein Nervengift. Nimmt man zu viel davon auf, kann es in Gehirn und Zentralnervensystem irreparable Schäden anrichten. Zu den vielen Symptomen einer solchen Bleivergiftung gehören Blindheit, Schlaflosigkeit, Nierenversagen, Gehörschäden, Krebs, Lähmungserscheinungen und Krampfanfälle.¹ In ihrer schwersten Form ist sie mit plötzlichen, beängstigenden Halluzinationen verbunden, die bei Betroffenen und Außenstehenden gleichermaßen Entsetzen auslösen; als Nächstes folgen in der Regel Koma und Tod. Eine zu große Bleimenge im Körper gilt es also unbedingt zu vermeiden.

Andererseits war Blei so einfach zu gewinnen und zu verarbeiten, dass seine industrielle Produktion geradezu peinlich hohe Gewinne abwarf - und Tetraethylblei verhinderte bei den Motoren das Klopfen. Deshalb gründeten drei der größten amerikanischen Industriekonzerne - General Motors, Du Pont und Standard Oil of New Jersey - im Jahr 1923 ein Gemeinschaftsunternehmen namens Ethyl Gasoline Corporation (der Name wurde später zu Ethyl Corporation verkürzt). Sein Ziel war es, so viel Tetraethylblei zu produzieren, wie auf dem Weltmarkt abzusetzen war, und wie sich heraus stellte, war das eine gewaltige Menge. Den Zusatzstoff nannten sie »Ethyl«, weil das freundlicher und weniger giftig klang als »Blei«. Am 1. Februar 1923 wurde es zum allgemeinen Verbrauch auf den Markt gebracht (und das auf mehr Wegen, als die meisten Menschen wussten).

Bei den Arbeitern in der Produktion waren schon kurz darauf der stolpernde Gang und die anderen Beeinträchtigungen zu erkennen, die für den akuten Vergiftungszustand charakteristisch sind. Außerdem verfolgte die Ethyl Corporation fast von Anfang an eine Strategie des leisen, aber beharrlichen Leugnens, die ihr jahrzehntelang großen Nutzen bringen sollte. Wie Sharon Bertsch McGrayne in ihrer fesselnden Geschichte der industriellen Chemie unter dem Titel Prometheans in the Lab berichtet, litten die Arbeiter in einer Fabrik an unheilbaren Wahnvorstellungen; daraufhin erklärte ein Firmensprecher den Journalisten unverfroren: »Diese Leute sind vermutlich verrückt geworden, weil sie zu hart gearbeitet haben.« Insgesamt kamen mindestens 15 Arbeiter in der Anfangszeit der Produktion verbleiten Benzins ums Leben, und unzählige andere erkrankten, in vielen Fällen sehr schwer; die genauen Zahlen sind nicht bekannt, weil es der Firma fast immer gelang, Nachrichten über peinliche Lecks, Freisetzungen und Vergiftungen zu vertuschen. Hin und wieder jedoch war es nicht mehr möglich, solche Informationen zu unterdrücken, insbesondere als 1924 in einer einzigen schlecht belüfteten Anlage innerhalb weniger Tage fünf Produktionsarbeiter starben und 35 weitere sich in stolpernde menschliche Wracks verwandelten.

Als immer mehr Gerüchte über die Gefahren des neuen Produkts die Runde machten, setzte Thomas Midgley, der redselige Erfinder des Ethyls, eine Vorführung für Journalisten an, um ihre Bedenken zu zerstreuen. Während er fröhlich über die Sicherheitsvorkehrungen in der Firma schwatzte, schüttete er sich Tetraethylblei über die Hände, hielt sich dann ein Gefäß mit der Substanz eine volle Minute lang unter die Nase und behauptete unermüdlich, dies könne er ohne Schaden jeden Tag tun. In Wirklichkeit wusste Midgley nur allzu gut über die Gefahren der Bleivergiftung Bescheid.³ Er war selbst nur wenige Monate zuvor ernsthaft daran erkrankt, und auch jetzt begab er sich möglichst nicht in die Nähe der Substanz, außer wenn er Journalisten beruhigen wollte.

Durch den Erfolg des verbleiten Benzins beflügelt, wandte sich Midgley nun einem anderen technischen Problem seiner Zeit zu. Die Benutzung von Kühlschränken war in den zwanziger Jahren vielfach entsetzlich riskant, denn in ihnen befanden sich gefährliche Gase, die manchmal austraten. Durch ein solches Leck in einem Kühlschrank kamen 1929 in einem Krankenhaus in Cleveland, Ohio, über 100 Menschen ums Leben.⁴ Midgley wollte ein Gas herstellen, das stabil, unbrennbar, nicht ätzend und beim Einatmen ungefährlich war. Mit einem fast gespenstischen Instinkt für gefährliche Dinge erfand er die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, kurz FCKWs genannt.

Nur selten hat sich ein Industrieprodukt so schnell allgemein durchgesetzt, und das mit so unglückseligen Folgen. FCKWs wurden seit Anfang der dreißiger Jahre produziert und fanden tausenderlei Anwendungsmöglichkeiten, von Auto-Klimaanlagen bis zu Spraydosen. Erst ein halbes Jahrhundert später erkannte man, dass sie das Ozon in der Stratosphäre zerstören. Und das ist, wie mittlerweile wohl jeder weiß, wirklich schlimm.

Ozon ist eine besondere Form des Sauerstoffs, bei der jedes Molekül nicht nur zwei, sondern drei Atome enthält. Es stellt in gewisser Weise eine chemische Kuriosität dar: Am Erdboden ist es ein Giftstoff, hoch oben in der Stratosphäre jedoch hat es eine sehr nützliche Wirkung, denn es schirmt die gefährliche ultraviolette Strahlung ab. Aber dieses nützliche Ozon ist nur in relativ geringer Menge vorhanden. Gleichmäßig in der gesamten Stratosphäre verteilt, würde es nur eine Schicht von ungefähr drei Millimetern Dicke bilden. Das ist der Grund, warum es so leicht zu beeinträchtigen ist und warum solche Beeinträchtigungen so schnell lebensgefährlich werden.

Auch die Menge der Fluorchlorkohlenwasserstoffe ist nicht sonderlich groß - in der gesamten Atmosphäre machen sie nur einen unter einer Milliarde Teilen aus -, aber sie wirken außerordentlich zerstörerisch. Ein Kilo FCKWs kann mehrere tausend Kilo Ozon aus der Atmosphäre einfangen und vernichten.⁵ Außerdem bleiben die FCKWs sehr lange erhalten - im Durchschnitt 100 Jahre - und vollbringen während dieser ganzen Zeit ihr zerstörerisches Werk. Zusätzlich saugen sie wie ein Schwamm die Wärme auf. Ein einziges FCKW-Molekül trägt ungefähr zehntausendmal stärker zum Treibhauseffekt bei als ein Molekül Kohlendioxid - und auch das Kohlendioxid ist als Treibhausgas ja nicht gerade von schlechten Eltern.⁶ Kurz gesagt, könnten sich die Fluorchlorkohlenwasserstoffe letztlich als schlimmste Erfindung des 20. Jahrhunderts erweisen.

Midgley erfuhr davon nie etwas: Er starb lange bevor irgendjemandem klar wurde, wie zerstörerisch die FCKWs wirken. Auch sein Tod blieb durch seine ungewöhnlichen Umstände in Erinnerung. Nachdem eine Kinderlähmung bei Midgley eine dauerhafte Behinderung zurückgelassen hatte, entwickelte er einen Apparat mit einer Reihe motorgetriebener Flaschenzügen, der ihn im Bett automatisch anhob oder herumdrehte. Im Jahr 1944 verfing er sich in den Seilen, als die Maschine zu arbeiten begann, und wurde erdrosselt.

Wer wissen wollte, wie alt die verschiedensten Dinge sind, für den war die Universität Chicago in den vierziger Jahren die richtige Adresse. Willard Libby erfand dort gerade die Radiokarbondatierung, mit deren Hilfe man das Alter von Knochen und anderen organischen Überresten genau ermitteln konnte, was zuvor niemals möglich gewesen war. Vor jener Zeit reichten die ältesten zuverlässigen Datierungen nur bis zur ersten Dynastie in Ägypten zurück, das heißt bis ungefähr 3000 v. Chr. So konnte beispielsweise niemand stichhaltige Angaben darüber machen, wann sich das Eis der letzten Eiszeit zurückgezogen hatte oder zu welcher Zeit in der Vergangenheit die Cromagnon-Menschen die Höhle von Lascaux in Frankreich ausgemalt hatten.

Libbys Idee war so nützlich, dass er 1960 dafür den Nobelpreis erhielt. Ihre Grundlage war die Erkenntnis, dass alle Lebewesen ein Kohlenstoffisotop namens Kohlenstoff-14 enthalten, das vom Augenblick ihres Todes an mit einer messbaren Geschwindigkeit zerfällt. Die Halbwertszeit - das heißt, die Zeit, bis die Hälfte der* anfänglichen Menge verschwunden ist - liegt für den