Physikalische Revolution: Harald Lesch lädt zur Live-Diskussion über Urknall und Kosmos

Harald Lesch begrüßt die Zuschauer zur Weltpremiere auf dem ZDF Twitch-Kanal mit einer Live-Übertragung vor über 2000 Zuschauern. Gemeinsam mit seiner Kollegin Jana Steuer, einer Astrophysikerin, führt er durch den Stream. Lesch und Steuer erinnern sich an ihre gemeinsamen Anfänge im Hörsaal, wo sie sich in einem Streitgespräch kennengelernt haben. Beide betonen, dass ihnen die Aufgabe, Menschen für Physik und Astronomie zu begeistern, besonders am Herzen liegt – nicht nur in Videos oder Podcasts, sondern auch in der universitären Lehre. Lesch beschreibt seinen Lehrstil als motivierend und interaktiv, sodass sich Studierende auch hinter der Kamera oder vor der Tafel wohlfühlen.

Lesch und Steuer bereiten die Themen des Abends vor: Sie wollen über den Urknall sprechen und wie die moderne Kosmologie das Universum begreift. Lesch erklärt grundlegende Fragen wie: Was war vor dem Urknall? Warum ist die Vorstellung eines Universums mit einem Anfang so schwer verständlich? Er verweist darauf, dass die Idee eines endlichen Universums erst durch Einstein und spätere Entdeckungen wie die Rotverschiebung der Galaxien an Bedeutung gewann. Die Diskussion führt zu den mathematischen Modellen, die beschreiben, wie sich das Universum ausdehnt – eine Theorie, die Einstein zunächst ablehnte, die aber durch Beobachtungen bestätigt wurde. Die Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit und des Planck’schen Wirkungsquantums wird als fundamentale Grenze der Physik hervorgehoben.

Lesch erzählt von der Entwicklung der Kosmologie als wissenschaftlicher Disziplin, die lange Zeit davon ausging, dass das Universum statisch und ewig sei. Erst mit Einstein, Hubble und Lemaître änderte sich dieses Bild grundlegend. Lesch berichtet von seinen eigenen Erfahrungen mit der Sendung *Alpha Centauri*, die durch ihre ungewöhnliche, dialogorientierte und philosophische Herangehensweise an astronomische Themen Millionen von Zuschauern erreichte – besonders nachts. Die Sendung wurde auf Twitch gestreamt und war ein früher Vorläufer moderner Wissenschaftsformate auf digitalen Plattformen. Lesch hebt den niedrigschwelligen Zugangsvorsatz hervor: Die Sendung war „unprofessionell im besten Sinne“ – mit Fokus auf Inhalte, nicht auf Perfektion.

Der Abend vertieft sich in konkrete physikalische Fragen rund um den Urknall: Wie konnte sich aus einem extrem dichten und heißen Zustand überhaupt das Universum entwickeln? Lesch erklärt die Äquivalenz von Masse und Energie, wie Temperatur und Dichte im frühen Universum zunahmen, bis etwa 10^32 Kelvin – eine Temperatur, die durch die Kombination von Gravitations- und Vakuumenergie begrenzt wird. Er veranschaulicht, warum die Mathematik in der Kosmologie unverzichtbar ist, um Phänomene zu beschreiben, die jenseits menschlicher Anschauung liegen. Gleichzeitig betont er, dass Physik mehr ist als nur Rechnen: Sie muss auch erklären, warum das Universum stabil ist – und wie das Allergrößte mit dem Allerkleinsten zusammenhängt. Ein zentraler Punkt ist die Frage, ob überhaupt etwas im Universum entstanden ist, obwohl die Anfangsbedingungen extrem homogen waren.

Bevor die Vorlesung beginnt, fassen Lesch und Steuer die wissenschaftlichen Highlights des Streams zusammen. Lesch nennt als seinen Lieblingskosmologischen Fakt, dass überhaupt etwas im Universum entstand – eine Frage, die er in seiner Physik-Vorlesung jahrelang behandelt. Er würde Einstein fragen, wie es ist, eine Revolution der Physik fast im Alleingang zu begründen, und Heisenberg, wie es sich anfühlt, eine völlig neue Welt der Quantenmechanik erstmals zu betreten – ein Moment, den dieser auf Helgoland erlebte. Die Moderatoren laden die Zuschauer ein, den Stream auf YouTube mitzuverfolgen und Fragen zu stellen. Der Ton bleibt motivierend und Wissenschaftsbegeisterung steht im Mittelpunkt: von der Mathematik als Kompass bis hin zur philosophischen Frage nach dem Beginn des Universums.

Harald Lesch führt in die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation ein, die eine grundlegende Unschärfe in der Quantenmechanik beschreibt. Diese Relation zeigt, dass das Produkt aus der Unschärfe in Ort (Δx) und Impuls (Δp) mindestens gleich dem Planckschen Wirkungsquantum (ħ) sein muss: Δx·Δp ≥ ħ. Dies bedeutet, dass im Universum eine minimale Längenskala existiert, unterhalb derer keine messbaren Unterschiede zwischen Ursache und Wirkung mehr existieren. Diese minimale Länge, die Planck-Länge, beträgt etwa 10⁻³⁵ Meter. Lesch erläutert, dass diese Grenze nicht unterschritten werden kann, da sie eine fundamentale Eigenschaft der Raumzeit darstellt. Die Unbestimmtheitsrelation führt auch dazu, dass maximale Energien und Temperaturen im Universum existieren, die nicht überschritten werden können. So ergibt sich für das frühe Universum eine maximale Temperatur von 10³² Kelvin.

Lesch erklärt den Schwarzschildradius, der den Radius eines Objekts angibt, ab dem es zu einem Schwarzen Loch wird. Für ein Objekt mit der Masse M gilt Rₛ = 2GM/c². Verknüpft man diese Grenze mit der Heisenbergschen Unschärfe, ergibt sich eine minimale Masse, die Planck-Masse (mₚ), die als Wurzel aus ħc/G definiert ist. Diese Masse beträgt etwa 2,18 × 10⁻⁸ kg. Setzt man die Planck-Masse in die Heisenbergsche Relation ein, erhält man die Planck-Länge (lₚ = 1,62 × 10⁻³⁵ m). Durch die Äquivalenz von Masse und Energie nach Einstein (E = mc²) lässt sich auch die Planck-Temperatur berechnen, die bei etwa 10³² Kelvin liegt. Diese Temperatur markiert den Beginn des Universums, da sie die höchste mögliche Temperatur darstellt, die physikalisch sinnvoll interpretierbar ist.

Lesch thematisiert die Entwicklung des Urknallmodells durch George Gamow, Hans Bethe und Ralph Alpher im Jahr 1948. Diese Physiker sagten voraus, dass das frühe Universum so heiß und dicht war, dass es nur aus Atomkernen und freien Elektronen bestand – eine sogenannte "heiße Suppe". Durch die Expansion des Universums kühlte diese Suppe ab, bis nach etwa 400.000 Jahren die ersten neutralen Atome entstanden. Dabei wurde Strahlung freigesetzt, die heute als kosmische Hintergrundstrahlung nachweisbar ist. Diese Strahlung hat ein schwarzkörperartiges Spektrum, das bei 2,7 Kelvin liegt. Der Nachweis dieser Strahlung durch Arno Penzias und Robert Wilson im Jahr 1964 bestätigte das Urknallmodell und zeigte, dass das Universum einen klar definierbaren Anfang hatte. Die Hintergrundstrahlung ist homogen und isotrop, was bedeutet, dass sie aus allen Richtungen des Himmels mit gleicher Intensität eintrifft.

Lesch erklärt, wie durch die Abkühlung des frühen Universums nach dem Urknall die ersten Elementarteilchen und später die ersten Atomkerne entstanden. Bei Temperaturen über 10¹⁰ Kelvin konnten sich Elektronen aus Anti-Elektronen-Paaren bilden, die durch die Paarerzeugung in Quantenfeldtheorien entstehen. Asymmetrien in der Materie-Antimaterie-Annihilation führten zur Dominanz der Materie, der wir heute存在. Nach etwa drei Minuten entkamen die ersten Atomkerne – vor allem Wasserstoff und Helium – aus der primordialen Nukleosynthese. Schwerere Elemente wie Lithium entstanden ebenfalls, aber nur in Spuren. Schwerere Elemente entstanden erst später in Sternen. Die ersten Minuten des Universums waren geprägt von extremen Energien und Dichten, die heute für uns nicht mehr zugänglich sind. Die Physik dieser Phase ist durch Quantenfeldtheorien und Quantenelektrodynamik nur theoretisch beschreibbar.

Lesch geht auf die Bedeutung von Quantenfluktuationen im frühen Universum ein, die durch die Unschärferelation ermöglicht werden. Diese Fluktuationen führten zu winzigen Dichteunterschieden im frühen Universum, die durch die Expansion verstärkt wurden. Diese Dichteunterschiede bildeten die Keimzellen für die späteren Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen. Die Messung dieser Fluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung durch Experimente wie COBE oder WMAP zeigte, dass diese Schwankungen im Bereich von 1 zu 1 Million liegen. Diese winzigen Unterschiede sind verantwortlich für die Existenz von Materie und unserer heutigen Struktur des Universums. Lesch betont, dass diese Erkenntnisse nicht nur die Theorie bestätigen, sondern auch die Verbindung zwischen Quantenphysik und Kosmologie verdeutlichen.

Lesch erklärt die Entdeckung des Higgs-Teilchens am LHC im Jahr 2012 und seine Bedeutung für die Vereinheitlichung der Kräfte im frühen Universum. Das Higgs-Feld, das das gesamte Universum durchzieht, verleiht anderen Teilchen Masse. Die Energie dieses Feldes beträgt etwa 246 GeV und ist eine universelle Konstante. Dies ermöglicht die Trennung der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung bei niedrigeren Energien. Lesch geht auch auf die Vereinheitlichung der starken, elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung bei extrem hohen Energien ein, die bei Temperaturen um 10²⁷ Kelvin möglich sein könnte. Diese Phase der Physik des frühen Universums bleibt jedoch theoretisch, da sie für uns nicht direkt beobachtbar ist.

Lesch führt ein einfaches Experiment durch, um die Undurchsichtigkeit des frühen Universums zu veranschaulichen. Bei hoher Dichte und Temperatur sind Photonen in einer 'heißen Suppe' aus Elektronen und Protonen gefangen. Durch die Expansion des Universums – simuliert durch das Entfernen eines Deckels – kann sich die Strahlung frei ausbreiten, was der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung entspricht. Dieses Experiment zeigt, warum das frühe Universum undurchsichtig war: Photonen konnten sich nur über kurze Distanzen bewegen, da sie ständig mit freien Elektronen kollidierten. Erst mit der Entstehung neutraler Atome im Alter von 400.000 Jahren wurde das Universum durchsichtig und ermöglichte den Blick auf die Hintergrundstrahlung. Lesch betont, dass dieses Experiment die theoretischen Vorhersagen anschaulich untermauert und die Bedeutung der Expansion für die Entstehung der Hintergrundstrahlung verdeutlicht.

Harald Lesch erklärt die Bedeutung der Schwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung für die Entstehung von Strukturen im Universum. Diese Schwankungen, die aufgrund der fehlenden Wechselwirkung mit normaler Materie nur durch dunkle Materie erklärbar sind, dienen als Keimzellen für die Bildung von Galaxien. Frühe Verdichtungen in diesen Schwankungen zogen Materie an, ähnlich wie Wasser in Pfützen auf einer unebenen Straße. Dunkle Materie war dabei essenziell, da normale Materie allein aufgrund der extremen Strahlungsdichte des frühen Universums keine Strukturen hätte ausbilden können. Lesch betont, dass diese Beobachtungen ohne die Existenz dunkler Materie nicht erklärbar wären.

Lesch stellt den Zuschauenden im Chat eine Aufgabe: zwei unsichtbare Gläser – eines mit Wasser, eines ohne – sollen identifiziert werden, ohne sie zu berühren oder zu wiegen. Die Lösung führt über Lichtbrechung und Spektroskopie, da Wasser spezifische Wellenlängen absorbiert. Der Vergleich zur dunklen Materie wird gezogen: Sie interagiert nicht elektromagnetisch, was deren Nachweis so schwierig macht. Leschs Idee, dies durch Brechungseffekte zu erklären, führt zu überzeugenden Vorschlägen aus dem Publikum. Die Aufgabe verdeutlicht die Herausforderungen der modernen Physik, unsichtbare Materie nachzuweisen.

Der Stream thematisiert die historische Rolle Galileis bei der Widerlegung des geozentrischen Weltbilds. Mit seinem Teleskop entdeckte er Strukturen auf dem Mond und die Phasen der Venus, was nur mit heliozentrischen Bahnen erklärt werden konnte. Dies führte zum Konflikt mit der Kirche, da die Beobachtungen als blasphemisch galten. Lesch kritisiert, dass die Kirche damals zu früh ein philosophisches System (Aristoteles) mit der Theologie verquickte, anstatt sich auf existenzielle Erfahrungen zu konzentrieren. Der Fall Galilei zeigt die historischen Spannungen zwischen Wissenschaft und Glaubensdogma.

Die Moderation erklärt die Urknalltheorie, angefangen mit dem belgischen Priester und Astrophysiker Georges Lemaitres These vom 'Uratom'. Die Beobachtung, dass sich Galaxien voneinander entfernen, stützte diese Idee. Lesch beschreibt detailliert die Ausdehnung des Universums, die Abkühlung und die Entstehung erster Atomkerne (Wasserstoff, Helium) sowie späterer Strukturen wie Sterne und Galaxien. Die Theorie wurde durch Edwin Hubbles Beobachtungen untermauert, der den Doppler-Effekt bei Galaxien feststellte. Diese wissenschaftlichen Fortschritte widerlegen die Vorstellung eines statischen Universums und zeigen die historische Entwicklung der Kosmologie.

Der Stream widmet sich Vera Rubins bahnbrechenden Messungen der Rotationsgeschwindigkeiten in Spiralgalaxien. Sie beobachtete, dass Sterne am Rand mit gleicher Geschwindigkeit wie die inneren Sterne rotieren – entgegen den physikalischen Erwartungen. Dies deutete auf zusätzliche unsichtbare Masse hin, die das Universum durchzieht. Rubin widerlegte damit das Postulat einer langsameren Rotation äußerer Objekte und lieferte starke Indizien für dunkle Materie. Lesch betont, dass diese Forschung die Grenzen des sichtbaren Universums und die Notwendigkeit dunkler Materie für die Stabilität von Galaxien aufzeigt.

Lesch berichtet vom Gran Sasso Labor in den italienischen Abruzzen, einem der tiefsten Untergrundlaboratorien der Welt. 1400 Meter Gestein schirmen störende kosmische Strahlung ab, was präzise Messungen ermöglicht. Caroline Schäffner erklärt die Forschung zur dunklen Materie: Sie interagiert nicht mit normaler Materie, bleibt aber gravitativ wirksam und bildet das Gerüst für Galaxien. Das Labor sucht nach unbekannten Teilchen, die Licht weder absorbieren noch emittieren. Die Umgebung unterstreicht die Komplexität und Isolation solcher Experimente – ein zentraler Ort für Grundlagenforschung.

Der Besuch im Gran Sasso Labor wird praktisch geschildert: Der Zugang erfolgt durch einen bequemen Tunnel im Auto, ein Komfort im Vergleich zu anderen Untergrundlaboratorien. Die Forschungsinfrastruktur umfasst Büros, Werkstätten und eine Mensa – auch wenn die Atmosphäre aufgrund der Isolation und Zielsetzung eher nüchtern und zielorientiert ist. Die Interviewpartnerin Caroline Schäffner unterstreicht, dass die dortigen Wissenschaftler*innen nicht für Ruhm, sondern aus Überzeugung forschen, um fundamentale Erkenntnisse wie jene zur dunklen Materie zu gewinnen. Das Labor symbolisiert die Kompromisslosigkeit und Disziplin, die für Suche jenseits der offensichtlichen Physik nötig ist.

Im Mittelpunkt steht die Diskussion über das *Laboratorio Gran Sasso*, einen 10 Kilometer langen Tunnel im Apennin, der seit den 1980er Jahren Rom mit der Adria verbindet. Ein italienischer Forscher erkannte die einmalige Chance, den Tunnel für eine internationale Forschungsanlage zu nutzen. Harald Lesch hebt den Weitblick dieses Projekts hervor: Der Bau wurde so konzipiert, dass er auch heute noch *Leerplätze* aufweist und über Jahrzehnte hinweg mit neuen Experimenten befüllt werden kann – ein Prinzip, das Lesch mit dem Stadtplaner Pettenkofer vergleicht, der München einst eine robuste Kanalisation baute. Der Labor-Komplex besteht aus mehreren Hallen (je ca. 100 Meter lang), inklusive hermetischer Sicherheitsvorkehrungen und eigenem Autobahnanschluss, um großräumige Lieferungen zu ermöglichen. Solche Projekte zeigen, wie Wissenschaft langfristige Grundlagen schafft, deren Nutzen erst kommende Generationen realisieren werden.

Der Schwerpunkt der Forschung im *Laboratorio Gran Sasso* liegt auf der experimentellen Suche nach dunkler Materie, die – rechnerisch – über 80% der Masse des Universums ausmachen soll. Die Anlage ist ideal abgeschirmt, um Störfaktoren wie kosmische Strahlung auszuschließen. Lesch betont den *enormen Aufwand* dieser Suche: Beispielsweise können die Detektoren hier einen Atomkern von einer Million Trillionen anderen unterscheiden, während andere Forscher wie Michael Krautblatt in den Alpen Permafrost-Messungen durchführen. Die Experimente, etwa das Projekt *Cosinus*, zielen darauf ab, winzige Wechselwirkungen dunkler Materie mit normaler Materie zu messen – etwa durch Lichtblitze oder Temperaturänderungen in gekühlten Kristallen (Natriumiiodid). Die Erfolge sind jedoch bescheiden: decadeslanger Forschung haben noch keine bestätigten Nachweise geliefert, was die *Geduld* und *Präzision* der Wissenschaft unterstreicht.

Die Finanzierung solcher Megaprojekte erfolgt primär durch *Steuergelder* in Europa, wobei Forscherteams aufwendige Anträge für Forschungsfond-töpfe stellen müssen. Harald Lesch betont die Bedeutung von Transparenz: Steuerzahler wiegen ein Recht darauf, zu erfahren, was mit ihren Mitteln erreicht wird. Die Forschung am Gran Sasso ist ein *Beispiel für internationale Zusammenarbeit* – etwa das *Xenon-NT*-Experiment, an dem zwölf Nationen beteiligt sind. Hier arbeiten über 8 Tonnen flüssiges Xenon in einem mit 850 Sensoren überwachten Tank, um dunkle Materie zu detektieren. Die Empfindlichkeit wurde in den letzten Jahrzehnten um den Faktor *1 Million* gesteigert, doch selbst bei dieser Präzision bleibt die Suche ergebnisoffen. Lesch vergleicht den Prozess mit Kolumbus’ unmöglicher Mission: Vielleicht finden wir Indien – oder entdecken ganz etwas anderes.

Harald Lesch schließt mit einer *fundamentalen Reflexion* über den Sinn von Grundlagenforschung: Die Entdeckung dunkler Materie wäre ein Meilenstein, doch selbst ihr Nicht-Nachweis ist wertvoll, da er neue Theorien provoziert. Er verweist auf historische Vorbilder wie die Ägypter oder Griechen, deren Erkenntnisse Jahrtausende überdauerten – ein Zeichen dafür, dass *wissenschaftlicher Fortschritt* kein kurzfristiges Projekt ist. Die aktuelle Ära der Erforschung des Universums basiere auf *einer kontinuierlichen Weiterentwicklung* von Ideen, die von Aristoteles über Newton bis zu modernen Detektoren reicht. Selbst wenn dunkle Materie *nie* direkt nachgewiesen wird, haben Generationen von Forschern durch ihre Präzision den Weg für *neue Rätsel* geebnet. Die Debatte endet mit einem Lob an den *Teamgeist* der Wissenschaftsgemeinschaft – zwischen Konkurrenz und Kooperation – und der Hoffnung auf weitere Erkenntnisse durch Formate wie diesen Twitch-Livestream, der komplexe Themen *öffentlich verständlich* vermittelt.