Brian Cox über den großen Teilchenbeschleuniger am CERN

Dies ist der Large Hadron Collider. Er hat einen Umfang von 27 Kilometern und ist das größte wissenschaftliche Experiment, das je unternommen wurde. Mehr als 10 000 Physiker und Ingenieure aus über 85 Ländern rund um den Globus haben mehrere Jahrzehnte zusammengearbeitet, um diese Maschine zu bauen. Was wir dort tun, ist, dass wir Protonen, also Wasserstoffkerne, auf etwa 99,999999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Bei dieser Geschwindigkeit legen sie die 27 Kilometer 11'000 Mal pro Sekunde zurück. Und dann bringen wir sie mit einem weiteren Protonenstrahl zur Kollision, der in Gegenrichtung verläuft. Wir lassen sie in gigantischen Detekoren aufeinander treffen.

Im Grunde genommen sind das Digitalkameras. Und dies ist der Detektor, mit dem ich arbeite: ATLAS. Nur damit Sie ein Gefühl für die Größe bekommen – da unten sehen Sie ein paar Personen in EU-Standardgröße.

(Gelächter)

Nur damit Sie ein Gefühl für die Größe bekommen: 44 Meter lang, 22 Meter im Durchmesser, 7 000 Tonnen schwer. Wir stellen innerhalb des Detektors die Bedingungen nach, wie sie weniger als eine Milliardstel-Sekunde nach der Entstehung des Universums herrschten – und das bis zu 600 Millionen Mal pro Sekunde. Das sind gewaltige Zahlen. Und die Metallteile, die Sie hier sehen, das sind riesige Magnete, die elektrisch geladene Teilchen ablenken, damit wir messen können, wie schnell sie sich bewegen. Dieses Bild wurde vor etwa einem Jahr aufgenommen. Die Magnete befinden sich hier drin. Und auch hier eine lebende Person in EU-Standardgröße, damit Sie ein Gefühl für die Größenverhältnisse bekommen. Und hier drin werden irgendwann im Sommer dieses Jahres kleine Urknalle erzeugt werden.

Übrigens habe ich heute Morgen eine E-Mail erhalten, in der steht, dass wir heute den letzten Teil von ATLAS fertiggestellt haben. Was bedeutet, dass er ab heute betriebsbereit ist. Ich würde ja gerne behaupten, ich hätte das für TED so geplant, aber das stimmt nicht. Also, seit heute ist er vollständig.

(Applaus)

Ja, das ist eine wunderbare Leistung. Jetzt könnten Sie fragen: "Warum? Warum sollte man die Bedingungen erzeugen, die weniger als eine Miliardstel-Sekunde nach der Entstehung des Universums herrschten?" Nun ja, wenn Teilchenphysiker eines sind, dann ehrgeizig. Und das Ziel der Teilchenphysik ist es, zu verstehen, woraus alles besteht und wie alles zusammenhält. Und wenn ich sage "alles", dann meine ich natürlich Sie und mich, die Erde, die Sonne, die Hundertmilliarden Sonnen in unserer Galaxie und die Hundertmilliarden Galaxien im beobachtbaren Universum. Wirklich alles.

Jetzt könnten Sie fragen: "Na schön, aber warum untersucht man es nicht direkt? Ich meine, wenn Sie wissen wollen, woraus ich bestehe, untersuchen Sie mich." Nun, wir haben herausgefunden, dass, je weiter man in die Vergangenheit schaut, das Universum heißer und heißer wird, dichter und dichter, einfacher und einfacher. Dafür gibt es keinen wirklichen Grund, den ich kenne, aber so scheint es zu sein. In der Frühzeit der Universums, so denken wir, war es sehr einfach und verständlich. All diese Komplexität, bis hin zu diesen wundervollen Dingen, menschlichen Gehirnen, ist ein Merkmal eines alten und kalten und komplizierten Universums. Ganz zu Anfang, in der ersten Milliardstel-Sekunde, denken wir, oder besser, haben wir festgestellt, war es sehr einfach.

Es ist fast wie... stellen Sie sich eine Schneeflocke in ihrer Hand vor. Sie betrachten sie und sie ist ein unglaublich kompliziertes, schönes Objekt. Aber wenn Sie sie erwärmen, zerfließt sie zu einem Wassertropfen und Sie können sehen, dass sie in Wirklichkeit bloß aus H2O bestand, aus Wasser. In diesem Sinne werfen wir einen Blick zurück in der Zeit, um zu verstehen, woraus das Universum besteht. Nach heutigem Stand besteht es aus diesen Dingen: Gerade einmal 12 Materieteilchen, die von vier Grundkräften zusammengehalten werden. Die Quarks, diese pinkfarbenen Dinger, sind die Bestandteile der Protonen und Neutronen, die die Atomkerne in unserem Körper bilden. Das Elektron – das Ding, das den Atomkern umkreist – wird übrigens durch die elektromagnetische Kraft im Orbit gehalten, die von diesem Ding übertragen wird, dem Photon. Die Quarks werden von anderen Teilchen zusammengehalten, die Gluonen heißen.

Und diese Jungs hier sind die schwache Kernkraft, die vielleicht am wenigsten bekannt ist. Aber ohne sie würde die Sonne nicht scheinen. Und wenn die Sonne scheint, werden Unmengen dieser Dinger, sogenannter Neutrinos, ausgestoßen. Wenn Sie mal einen Blick auf Ihren Daumennagel werfen, der ist etwa einen Quadratzentimeter groß. Und pro Sekunde fliegen etwa 60 Milliarden Neutrinos von der Sonne durch jeden einzelnen Quadratzentimeter Ihres Körpers. Aber Sie bemerken sie nicht, da die schwache Kernkraft ihren Namen zu Recht trägt. Sehr geringe Reichweite und sehr schwach, also fliegen sie einfach durch Sie hindurch.

Diese Teilchen wurden so ziemlich alle im Laufe des letzten Jahrhunderts entdeckt. Das erste, das Elektron, wurde 1897 entdeckt und das letzte, dieses Ding hier namens Tau-Neutrino, im Jahr 2000. Also wirklich – jetzt hätte ich fast gesagt: 'direkt um die Ecke, in Chicago'. Ich weiß, die USA sind ein großes Land. Direkt um die Ecke. Im Verhältnis zum Universum ist das direkt um die Ecke.

(Gelächter)

Dieses Teilchen wurde also im Jahr 2000 entdeckt, entsprechend neu ist diese Darstellung. Was ich wirklich bemerkenswert finde, ist, dass wir überhaupt welche von ihnen entdeckt haben, wenn man bedenkt, wie winzig sie sind. Wissen Sie, das ist eine vollkommen andere Größenordnung als das gesamte beobachtbare Universum. Hundertmilliarden Galaxien, in 13,7 Milliarden Lichtjahren Entfernung – diese Größe verhält sich zur Größe Montereys in etwa so, wie sich die Größe Montereys zur Größe dieser Teilchen verhält. Absolut, unvorstellbar winzig, und trotzdem haben wir so ziemlich das ganze Sortiment gefunden.

Einer meiner berühmtesten Vorgänger an der Manchester University, Ernest Rutherford, der Entdecker des Atomkerns, sagte einmal: "Jegliche Wissenschaft ist entweder Physik, oder das Sammeln von Briefmarken." Nun, ich denke nicht, dass er vorhatte, die restlichen Wissenschaften zu beleidigen. Andererseits stammte er aus Neuseeland, also wäre es zumindest möglich.

(Gelächter)

Was er damit eigentlich sagen wollte, ist, dass wir hier im Grunde Briefmarken gesammelt haben. Ja, gut, wir haben die Teilchen entdeckt, aber solange man nicht die zugrunde liegende Ursache für dieses Muster versteht – warum es so aufgebaut ist, wie es nun mal ist – hat man nichts anderes gemacht, als Briefmarken gesammelt, man hat keine Wissenschaft betrieben. Glücklicherweise untermauert eine der möglicherweise größten wissenschaftlichen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts dieses Modell. Dabei handelt es sich, wenn Sie so wollen, um die Newtonschen Gesetze der Teilchenphysik. Es ist das sogenannte 'Standardmodell', eine wunderschön einfache mathematische Gleichung. Man könnte sie vorne auf ein T-Shirt drucken, was immer ein Zeichen von Eleganz ist. Und hier haben wir sie.

(Gelächter)

Da habe ich ein wenig geschummelt, weil ich sie hier bis ins kleinste Detail ausgeschrieben habe. Diese Gleichung erlaubt es allerdings, alles zu berechnen, was im Universum vor sich geht, mit Ausnahme der Schwerkraft. Wenn Sie also wissen wollen, weshalb der Himmel blau ist oder weshalb Atomkerne zusammenhalten, sollten Sie im Prinzip, mit einem leistungsstarken Computer – warum DNA die Form hat, die sie nun einmal hat – im Prinzip dazu in der Lage sein, die Antwort mit dieser Gleichung auszurechnen.

Aber dabei gibt es ein Problem. Kann irgendjemand erkennen, worin es besteht? Eine Flasche Champagner für denjenigen, der es mir sagen kann. Ich mache es sogar noch einfacher, indem ich eine dieser Zeilen vergrößere. Im Grunde genommen bezieht sich jeder dieser Ausdrücke auf bestimmte Teilchen. Diese Ws beziehen sich auf die Ws und wie sie zusammenhalten. Für diese Überträger der schwachen Kernkraft, die Zs, gilt das gleiche. Aber es gibt noch ein zusätzliches Symbol in der Gleichung, das H. Ja, das H. H steht für Higgs-Teilchen. Higgs-Teilchen konnten noch nicht entdeckt werden, aber sie sind erforderlich – sie sind erforderlich, damit diese Formel funktioniert. All diese ungemein detaillierten Berechnungen, die wir mit dieser wunderbaren Gleichung durchführen können, wären nicht möglich, ohne eine zusätzliche Information. Es handelt sich also um eine Vorhersage, die Vorhersage eines neuen Teilchens.

Aber was tut es? Nun, wir hatten lange Zeit, um uns einen guten Vergleich auszudenken. Damals, in den 1980er Jahren, als wir Geld für den LHC von der britischen Regierung wollten, sagte uns Margaret Thatcher: "Wenn ihr Jungs mir in für Politiker verständlicher Sprache erklären könnt, was zur Hölle ihr da treibt, könnt ihr das Geld haben. Ich möchte wissen, was dieses Higgs-Teilchen tut." Also haben wir uns diesen Vergleich einfallen lassen und er scheint funktioniert zu haben. Nun, das Higgs-Teilchen tut folgendes: Es verleiht den Elementarteilchen Masse. Die Vorstellung ist, dass das gesamte Universum – und das heißt nicht nur das Weltall, sondern auch ich und das, was sich in Ihrem Inneren befindet – das ganze Universum ist gefüllt mit etwas, das Higgs-Feld genannt wird. Higgs-Teilchen, wenn Sie so wollen.

Der Vergleich ist, dass die Menschen in diesem Raum die Higgs-Teilchen darstellen. Wenn sich nun ein Teilchen durch das Universum bewegt, kann es mit diesen Higgs-Teilchen in Wechselwirkung treten. Stellen sie sich einmal vor, dass sich Personen durch den Raum bewegen, die nicht sehr beliebt sind. Jeder wird sie ignorieren. Sie können den Raum sehr schnell durchqueren, im Grunde mit Lichtgeschwindigkeit. Sie haben keine Masse. Und jetzt stellen sie sich einmal vor, dass eine unglaublich wichtige und beliebte und intelligente Person den Raum betritt. Menschen umringen sie und behindern ihren Weg durch den Raum. Es ist fast so, als würde sie schwer. Als gewänne sie an Masse. Und genau so funktioniert der Higgs-Mechanismus. Die Vorstellung ist, dass die Elektronen und Quarks in unserem Körper und im Universum, das wir um uns herum wahrnehmen, in gewisser Weise schwer sind und Masse haben, weil sie von Higgs-Teilchen umgeben sind. Sie treten mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung.

Wenn diese Vorstellung zutrifft, dann werden wir diese Higgs-Teilchen im LHC entdecken. Wenn sie nicht zutrifft – immerhin handelt es sich um einen ziemlich verworrenen Mechanismus, wenn auch um den einfachsten, den wir uns vorstellen konnten – dann muss das, was auch immer die Aufgabe des Higgs-Teilchens übernimmt, im LHC auftauchen. Dies ist einer der Hauptgründe, weshalb wir diese gigantische Maschine gebaut haben. Es freut mich übrigens, dass sie Margaret Thatcher erkannt haben. Ich habe zunächst mit dem Gedanken gespielt, es kulturell etwas relevanter zu machen, aber – (Gelächter) na ja, egal. Das ist die eine Sache. Diese Entdeckung im LHC ist im Grunde genommen garantiert.

Aber es gibt noch eine Menge anderer Dinge. Sie haben schon von vielen der großen Probleme der Teilchenphysik gehört. Eines, von dem Sie gehört haben, betrifft Dunkle Materie und Dunkle Energie. Da gibt es noch einen anderen Punkt. Die physikalischen Grundkräfte – und das ist eine ziemlich schöne Sache – sie scheinen, je weiter man in der Zeit zurückgeht, ihre Stärke zu ändern. Nun, ihre Stärke verändert sich tatsächlich. Die elektromagnetische Kraft, die Kraft, die uns zusammenhält, wird immer stärker, je höher die Temperaturen steigen. Die starke Kraft, die starke Kernkraft, die die Atomkerne zusammenhält, wird ihrerseits schwächer. Und was man im Standardmodell erkennen kann – man kann diese Veränderungen berechnen – ist, dass die Kräfte – die drei Kräfte mit Ausnahme der Schwerkraft – an einem Punkt fast zusammen zu kommen scheinen. Es sieht fast aus, als gäbe es da eine herrliche Art Superkraft, am Anbeginn der Zeit. Aber sie gehen knapp aneinander vorbei.

Jetzt gibt es aber eine Theorie, die Supersymmetrie genannt wird, in der die Anzahl der Teilchen des Standardmodells verdoppelt wird. Das sieht auf den ersten Blick nicht gerade nach einer Vereinfachung aus. Aber es ist wirklich so, dass mit dieser Theorie die physikalischen Grundkräfte sich zum Zeitpunkt des Urknalls zu vereinigen scheinen. Eine absolut wunderbare Vorhersage. Das Modell wurde nicht mit dem Ziel erstellt, dass dies passiert, aber es scheint es zu tun. Außerdem sind die supersymmetrischen Teilchen sehr heiße Kandidaten für die Dunkle Materie. Es handelt sich also um eine sehr überzeugende Theorie, die sich in der Lehrbuchphysik etabliert hat. Und wenn ich wetten müsste, würde ich – in einer sehr unwissenschaftlichen Art – darauf wetten, dass diese Teilchen sich ebenfalls im LHC zeigen werden. Es gibt noch viele andere Dinge, die der LHC entdecken könnte.

Aber in den wenigen verbleibenden Minuten möchte ich Ihnen noch aus einem anderen Blickwinkel darlegen, was ich denke – was mir die Teilchenphysik bedeutet, die Teilchenphysik und die Kosmologie. Und das ist, dass sie uns meiner Meinung nach eine wunderbare Erzählung liefert, nahezu eine Schöpfungsgeschichte, wenn Sie so wollen, über das Universum aus Sicht der modernen Wissenschaft im Laufe der letzten Jahrzehnte. Und meiner Meinung nach verdient sie, ganz im Sinne von Wade Davis' Vortrag, zumindest einen Platz unter diesen wunderbaren Schöpfungsgeschichten der Völker aus den hohen Anden oder aus dem eisigen Norden. Diese Schöpfungsgeschichte ist meiner Ansicht nach ebenso wunderbar.

Die Geschichte geht so: Wir wissen, dass das Universum vor 13,7 Milliarden Jahren begann, in einem unvorstellbar heißen, dichten Zustand, viel kleiner als ein einzelnes Atom. Dann begann es, sich auszudehnen, etwa eine Million-Milliarde-Milliarde-Milliarde-Milliardstel-Sekunde – ich denke, so stimmts – nach dem Urknall. Die Schwerkraft trennte sich von den anderen Kräften. Dann durchlief das Universum eine Phase exponentieller Ausdehnung, die so genannte Inflation. Etwa nach der ersten Milliardstel-Sekunde setzte das Higgs-Feld ein und die Quarks und Gluonen und Elektronen aus denen wir bestehen, erhielten Masse. Das Universum dehnte sich weiter aus und kühlte weiter ab. Nach wenigen Minuten gab es Wasserstoff und Helium im Universum, sonst nichts. Das Universum bestand zu etwa 75 Prozent aus Wasserstoff und zu 25 Prozent aus Helium. Und so ist es heute noch.

Während der nächsten 300 Millionen Jahre dehnte es sich weiter aus. Dann begann das Licht seine Reise durch das Universum. Das Universum war nun groß genug, um lichtdurchlässig zu sein, und das ist es, was wir in der kosmischen Hintergrundstrahlung beobachten können, von der George Smoot einmal sagte, man blicke in das Antlitz Gottes. Nach etwa 400 Millionen Jahren bildeten sich die ersten Sterne und in ihnen verkochten Wasserstoff und Helium zu schwereren Elementen. Die Elemente des Lebens, Kohlenstoff und Sauerstoff und Eisen, all die Elemente, die wir benötigen, um zu bestehen, wurden in dieser ersten Sternengeneration zusammengekocht, die schließlich keinen Brennstoff mehr hatte, explodierte und diese Elemente zurück ins Universum schleuderte. Dann fielen sie zusammen und formten eine neue Generation von Sternen und Planeten.

Und auf einigen dieser Planten verschmolz der Sauerstoff, der in der ersten Sternengeneration entstanden war, mit Wasserstoff und bildete so Wasser, flüssiges Wasser auf der Oberfläche. Auf wenigstens einem und möglicherweise ausschließlich auf einem dieser Planeten entwickelte sich primitives Leben, das sich im Laufe von Millionen von Jahren in Dinge weiterentwickelte, die aufrecht gingen und vor etwa 3,5 Millionen Jahren Fußabdrücke im Schlamm des heutigen Tansania hinterließen, und letztendlich sogar auf einer anderen Welt. Sie erschufen diese Zivilisation, dieses wundervolle Bild, das Dunkelheit in Licht verwandelt und das es ermöglicht, die Zivilisation aus dem All zu sehen. Wie es einer meiner großen Helden, Carl Sagan, einmal sagte: Dies sind die Dinge – und natürlich nicht nur diese, ich sehe mich bloß einmal um – dies sind die Dinge, wie die Saturn V Raketen und Sputnik und DNA und Literatur und Wissenschaft, dies sind die Dinge, die Wasserstoffatome schaffen, wenn man ihnen 13,7 Milliarden Jahre Zeit gibt.

Absolut bemerkenswert. Und natürlich die physikalischen Gesetze, nicht wahr? Ja, die richtigen physikalischen Gesetze - sie sind ganz wunderbar aufeinander abgestimmt. Wäre die schwache Kernkraft ein wenig anders, dann wären Kohlenstoff und Sauerstoff nicht stabil in den Herzen der Sterne und es gäbe nichts davon in diesem Universum. Ich halte dies für eine – eine wundervolle und bedeutsame Geschichte. Vor 50 Jahren hätte ich sie nicht erzählen können, weil wir sie da noch nicht kannten. Sie weckt in mir das Gefühl, dass diese Zivilisation – die, wie ich sagte, wenn man der wissenschaftlichen Schöpfungsgeschichte glaubt, ausschließlich aus den physikalischen Gesetzen und einigen Wasserstoffatomen hervorgegangen ist – dann weckt das, zumindest in mir, das Gefühl, unglaublich wertvoll zu sein.

Das ist also der LHC. Wenn er im Sommer in Betrieb genommen wird, wird der LHC ganz sicher das nächste Kapitel in diesem Buch schreiben. Ich freue mich bereits sehr und kann es kaum erwarten, dass er eingeschaltet wird. Danke.

(Applaus)