Weltuntergang, Made in Geneva?

Auf diese Eingangsfrage gibt es eine kurze und eine lange Antwort. Die kurze Antwort lautet: Nein. Weil dies vielleicht etwas unbefriedigend ist und von einigen mit Sicherheit mit heftigem Kopfschütteln quittiert wird, folgt hier die lange Antwort.

Zutaten für den angeblichen Weltuntergang

Zunächst einmal zum LHC selbst. LHC steht für "Large Hadron Collider", grosser Hadronen-Kollidierer. Der Name ist Programm: in einem kreisförmigen Tunnel mit 27 km Umfang werden schwere Kernteilchen, sogenannte Hadronen, auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und schliesslich zur Kollision gebracht. Gewaltige, supraleitende Magnete halten die Teilchen dabei auf Kurs, Messgeräte (sogenannte Detektoren) von der Grösse eines kleinen Einfamilienhauses fangen den Teilchenregen, der bei der Hadronenkollision entsteht, ein und erlauben den Forschern tiefe Einblicke in den Aufbau der Materie. Noch nie wurde ein Beschleuniger (wie diese Geräte auch genannt werden) von dieser Grösse gebaut, entsprechend gross ist die Vorfreude bei Forschern in der ganzen Welt. Man hofft insbesondere, einem ganz bestimmten Teilchen auf die Spur zu kommen, dem sogenannten "Higgs-Teilchen", das allen Objekten im Universum ihre Masse verleihen soll. Weiter stehen supersymetrische Teilchen auf der Wunschliste, eine Art Spiegelteilchen zu allen bisher bekannten, sowie die immer noch unbekannten Teilchen der Dunklen Materie. Auch mit Antimaterie will man weitere Experimente durchführen. Und wie immer, wenn ein wissenschaftliches Experiment von bisher ungekannter Grössenordnung begonnen wird, macht man sich auf ein paar grosse Überraschungen gefasst.

Schwarze Löcher, winzig klein

Eine solche Überraschung, monieren kritische Stimmen weltweit (vorwiegend im Internet, aber zumindest auf Hawaii wurde das CERN und die mit ihm zusammen arbeitenden amerikanischen Institutionen bereits verklagt...), könnte die Entstehung winziger Schwarzer Löcher sein. Die Physiker, so diese Stimmen, würden in ihrer Blindheit die Existenz der Menschheit, der Erde, ja vielleicht sogar des Universums aufs Spiel setzen - der LHC dürfe auf keinen Fall in Betrieb genommen werden.

Kann der LHC winzige Schwarze Löcher erzeugen? Ja, unter ganz bestimmten Umständen ist dies nicht ganz auszuschliessen. Zu diesen Umständen gleich noch etwas mehr, doch zunächst müssen wir uns aber darüber im klaren sein, was ein Schwarzes Loch eigentlich ist. In schlechten Science Fiction Filmen wird ein Schwarzes Loch häufig als die ultimative Gefahr beschrieben, als allesverschlingendes, unersättliches monströses Ding, das die Raumschiffe unserer Helden vom Kurs abbringt und oft beinahe verschlingt.

Das ist natürlich Blödsinn. Schwarze Löcher sind letztlich Himmelskörper wie Sterne, Planeten, Monde. Wie diese haben Schwarze Löcher eine Masse und entsprechend ein Gravitationsfeld. Dessen Stärke nimmt, wie bei allen anderen Himmelskörpern auch, mit dem Quadrat zum Abstand ab: das heisst, in doppelter Entfernung zum Schwarzen Loch ist seine Anziehung nur noch ein Viertel so stark. Wie bei allen anderen Himmelskörpern auch gibt es eine Fluchtgeschwindigkeit, das heisst, für jeden Punkt im Gravitationsfeld ist eine Geschwindigkeit definiert, die man erreichen müsste, um das Gravitationsfeld wieder zu verlassen. Will man etwa von der Erdoberfläche in den Weltraum fliegen und dabei dem Gravitationsfeld der Erde entkommen (etwa, um zum Mars zu fliegen), muss man eine Fluchtgeschwindigkeit von etwa 11.2 km/s erreichen. Doch je weiter "aussen" im Gravitationsfeld man losfliegt, desto schwächer wird die Gravitation und damit sinkt auch die Geschwindigkeit, die notwendig ist, um das Gravitationsfeld zu verlassen. Startet man, statt von der Erdoberfläche, aus einer Entfernung von 384000 km zum Erdmittelpunkt (das entspricht der Entfernung des Mondes) sind es nur noch 1.4 km/s (darin liegt übrigens auch die Idee begründet, den Mond als "Sprungbrett" für Missionen ins Sonnensystem zu benutzen).

Wenn nun die zur Flucht aus dem Gravitationsfeld notwendige Geschwindigkeit mit zunehmender Entfernung abnimmt, muss sie mit abnehmender Entfernung zunehmen. Je dichter und massiver ein Körper ist, desto höhere Fluchtgeschwindigkeiten müssen an seiner Oberfläche erreicht werden, um sein Gravitationsfeld zu verlassen. Doch irgendwann schiebt die Relativitätstheorie dem einen Riegel vor: wenn die zum Verlassen des Gravitationsfeldes nötige Fluchtgeschwindigkeit 300000 km/s erreicht - Lichtgeschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit kann von keinem Objekt überschritten werden. Wenn sich also ein Himmelskörper finden liesse, der so kompakt ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit von seiner "Oberfläche" aus 300000 km/s beträgt, könnte kein Objekt, das einmal auf den Himmelskörper gefallen ist, diesen jemals wieder verlassen - es wäre auf ewig "gefangen". Schwarze Löcher sind solche Objekte: im Kern einer Expolosion eines Sternherzens (einer sogenannten Supernova) auf einen winzigen Durchmesser zusammengequetscht. Der Radius, den ein Objekt haben müsste, um gerade noch als Schwarzes Loch zu gelten, wird der "Schwarzschildradius" genannt. Könnte man die ganze Erde auf die Grösse einer Walnuss zusammenquetschen (ca. 18 mm), wäre sie ebenfalls ein Schwarzes Loch.

Es sind heute zwei Arten von Schwarzen Löchern bekannt: sogenannt "stellare", die, wie oben erwähnt, aus dem Kollaps eines Sternkerns bei einer Supernova hervorgegangen sind. Sie haben Massen von über drei Sonnenmassen. Die zweiten werden "galaktische" Schwarze Löcher genannt, sind im Zentrum von Galaxien zu finden und sind in der Regel mehrere Millionen bis Milliarden Sonnenmassen schwer. Möglicherweise existiert noch eine dritte Art: "primordiale" Schwarze Löcher haben vielleicht die Masse eines Berges und wären beim Urknall entstanden. Doch wirklich interessant im Zusammenhang mit dem LHC wird es bei einer vierten Unterart, den sogenannten mikroskopischen Schwarzen Löchern (MSL). Da im Prinzip alles zu einem Schwarzen Loch werden kann, wenn man es nur klein genug zusammenquetscht, gibt es keine Untergrenze für die Masse eines Schwarzen Lochs. Es könnte also theoretisch auch Schwarze Löcher von der Masse eines Atomkernteilchens geben (Aber... siehe unten). Wenn man Teilchen nur stark genug aufeinander prallen lässt, könnte, so die Idee, Materie genügend verdichtet werden, um ein solches MSL (mikroskopisches Schwarzes Loch) zu erzeugen. Genau davor fürchten sich die CERN-Gegner: dass die Energien, mit denen beim LHC Kernteilchen aufeinander geschleudert werden, ausreichen könnten, um ein MSL zu erzeugen. Zwar entspricht die Energie, mit der die Atomkerne zusammenprallen, in etwa der einer Mücke, die in eine Hauswand fliegt - aber eben konzentriert auf zwei winzige Kernteilchen ist das eben doch recht viel. Trotzdem reicht es in unserem "herkömmlichen" Universum mit drei Raumdimensionen und einer Zeitdimension nicht für ein MSL, denn die Einzelteile eines solchen Atomkerns (im LHC sind die energiereichsten Teilchen Blei-Ionen) sind immer, auch während einer Kollision, viel zu weit voneinander entfernt, um ein schwarzes Loch zu bilden. Um es in einem etwas anschaulicheren Masstab zu formulieren: Wenn das MSL, das sie bilden sollen, etwa so gross wie ein Stecknadelkopf wäre, wären die Protonen und Neutronen der Bleiatome im Vergleich dazu rund tausend Mal grösser als das sichtbare Universum!

Doch sollte unser Universum noch weitere Dimensionen besitzen, die sich unserer Beobachtung entziehen, weil sie winzig klein und "aufgerollt" sind (so wie ein eigentlich dreidimensionaler Gartenschlauch aus grosser Entfernung wie eine eindimensionale Linie aussieht), dann könnte es sein, dass die Bildung eines solchen MSL doch möglich ist. Und was geschieht dann?

Hawkingstrahlung, richtig dosiert

Schwarze Löcher halten nicht ewig. So erstaunlich das klingen mag für Objekte, denen nichts "entkommen" kann, die Quantenphysik legt dieses Ergebnis nahe: Schwarze Löcher geben eine extrem schwache Strahlung ab, die nach ihrem "Entdecker" Stephen Hawking, dem bekannten Astrophysiker und Buchautor ("Eine kurze Geschichte der Zeit") Hawking-Strahlung genannt wird. Da Strahlung eine Form von Energie darstellt, genauso wie Masse, verlieren Schwarze Löcher irgendwann all ihre Masse und "verdampfen" wie ein Tropfen Wasser auf einer Herdplatte. Diese Strahlung ist umso intensiver, je kleiner das Schwarze Loch ist: kleine Schwarze Löcher verdampfen also schneller als grosse. Je stärker das Schwarze Loch also durch die Strahlung schrumpft, desto kleiner wird es, entsprechend wird die Strahlung noch intensiver - der Prozess schaukelt sich hoch, die Verdampfung wird gegen Ende immer schneller. Die supermassiven Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien werden also noch über gewaltige Zeiträume weiterexistieren. Die oben genannten "primordialen" Schwarzen Löcher verdampfen in einigen Milliarden Jahren (deshalb hofft man auch, einigen von ihnen beim Verdampfen zusehen zu können - so sie denn überhaupt existieren). So ist klar, dass MSL praktisch im Moment in dem sie entstehen wieder verdampfen: nach rund 10^-27 (ein Milliardestel Milliardstel Milliardstel) Sekunde nach der allfälligen Entstehung im LHC ist das Schwarze Loch wieder verdampft - es hat schlicht keine Zeit, um irgend etwas zu verschlingen.

Mit dieser Erklärung gibt es bloss ein Problem: Hawkingstrahlung geht zwar zwingend aus der gut geprüften und durch Experimente immer wieder bestätigten Quantenphysik hervor, trotzdem wurde die Strahlung selbst noch nie direkt beobachtet. Kein Wunder: sowohl bei "galaktischen" als auch bei "stellaren" Schwarzen Löchern ist sie viel zu schwach, als dass wir jemals eine Chance hätten, sie zu beobachten. Das heisst, obwohl wir uns nach allem, was wir heute über Physik wissen eigentlich "sicher" sein könnten, dass die Hawkingstrahlung existiert, steht die direkte Beobachtung aus praktischen Gründen noch aus.

Viereinhalb Milliarden Jahre kosmische Strahlung

Tatsache ist jedoch auch, wenn der LHC tatsächlich MSL produzieren kann - dann sind schon Milliarden von ihnen auf der Erde entstanden. Wenn auch der LHC der grösste je von Menschenhand gebaute Beschleuniger sein mag, unser Heimatplanet wird seit Jahrmilliarden von hochenergetischer, sogenannt "kosmischer" Strahlung bombardiert. Diese stammt von Supernova-Explosionen und anderen energiereichen Prozessen im Universum: die Teilchen, aus denen sie besteht, bewegen sich praktisch mit Lichtgeschwindigkeit. Seit die Erde existiert, bombardiert diese Strahlung unsere Atmosphäre: Kollisionen zwischen Teilchen aus dieser Strahlung und Luftmolekülen sind häufig und übersteigen in Energiegehalt die Kollisionen im LHC um viele Grössenordnungen. Das heisst, wenn die Naturgesetze tatsächlich so beschaffen sind, dass der LHC mikroskopische Schwarze Löcher erzeugen kann, dann sind sie in unserer Atmosphäre schon immer entstanden - ohne dass die Erde irgendwann von einem von ihnen verschlungen worden wäre.

Die CERN-Gegner führen hier an, dass die in der Atmosphäre erzeugten MSL auch nach der Kollision noch eine sehr grosse Geschwindigkeit von mehr als 11.2 km/s besitzen würden, so dass sie die Erde praktisch ungestört durchqueren und darauf dem Gravitationsfeld der Erde entkommen würden. Die vom LHC erzeugten hingegen würden durch eine "symetrische" Kollision zweier gegenläufiger Strahlen erzeugt, so dass die Geschwindigkeit der Kollisionsprodukte praktisch Null sein müsste. Damit dies stimmt, müsste die Masse der beiden kollidierenden Teilchen exakt identisch sein und ihre Geschwindigkeit müsste im Bereich von einem Zehnbillionstel exakt gleich sein. Zudem würde ein MSL, das durch kosmische Strahlung erzeugt wird, fast zwingend eine positive elektrische Ladung tragen, weil es aus der Kollision von positiv geladenen Teilchen hervorgegangen ist: durch elektromagnetische Interaktion mit den Atomen der Erde würde es dann abgebremst – dafür ist eine Strecke notwendig, die unter dem Durchmesser der Erde liegt. Ein Prozess, der auf dem gleichen Prinzip wie die Hawkingstrahlung beruht, würde diese Ladung des MSL eigentlich schnell wieder abbauen – aber die Hawkingstrahlung hatten wir ja weiter oben als nichtexistient festgelegt. Sofern also auch nur ein Bruchteil der durch die kosmische Strahlung erzeugten MSL eine Ladung trägt und so im Erdinneren gebremst wird, ist das hohe Alter der Erde (4.5 Milliarden Jahre) ein Beleg dafür, dass wir uns keinerlei Sorgen um die Fressgeschwindigkeit von MSL machen müssen.

Doch nehmen wir mal an, es würden im LHC tatsächlich MSL erzeugt, und nehmen wir dann darüber hinaus an, aus irgend einem Grund hätten wir uns bei der Hawkingstrahlung geirrt, und das MSL würde nicht sofort zerstrahlen. Nehmen wir weiter an, die Geschwindigkeit der beiden Teilchenstrahlen, die das MSL erzeugt haben, würden bis auf ein Zehnbillionstel übereinstimmen, und zudem würden alle MSL aus der kosmischen Strahlung ohne eine einzige Ausnahme immer sofort neutralisiert, obwohl dies über einen mit der Hawkingstrahlung verwandten Prozess geschieht, die wir soeben ausgeschlossen haben - was würde dann geschehen?

Das MSL würde den Erdmittelpunkt umkreisen (allerdings auch hier nur, wenn es keine Ladung trägt, andernfalls fällt es irgendwann in die Mitte des Erdkerns und bleibt dort liegen). Wäre seine Geschwindigkeit gegenüber dem Erdmittelpunkt durch die Kollision exakt aufgehoben, würde es direkt nach unten fallen, durch den Kern hindurch und auf der anderen Seite der Erde bis knapp unter die Oberfläche, danach wieder zurück zum Kern, wieder hoch zur Oberfläche und so weiter. Da es winzig klein ist gemessen an Atomen, würde es auf seinem Weg durch das Erinnere praktisch keinem anderen Atom begegnen, es wäre einsam wie ein Raumschiff zwischen den Sternen. Nur ab und zu würde es mit einem Atom zusammenstossen, es verschlingen und dadurch langsam wachsen. Durch jede Kollision würde es langsamer, was seine Wachstumsgeschwindigkeit herabsetzen würde. Doch wie schnell könnte es maximal wachsen? Eine grobe Abschätzung über die Dichte der Erde ergibt, dass ein MSL gewaltige Zeiträume brauchen würde, um auch nur um einen winzigen Betrag zu wachsen: selbst wenn alle Sterne im Universum erloschen sind, wäre das MSL immer noch mikroskopisch klein.

Ja aber, sagen jetzt die Gegner, vielleicht unterschätzen wir diese MSL. Vielleicht haben sie irgend einen Trick auf Lager, den wir heute nicht kennen und mit dem sie Materie sehr viel schneller verschlingen können, als wir denken würden.

Astrophysiker haben versucht, eine Obergrenze für die maximale Wachstumsgeschwindigkeit von MSL durch Beobachtungen im Weltraum zu bestimmen. Ihre Überlegung dabei ist, dass wenn solche MSL durch den LHC auf der Erde entstehen können, dann können sie auch auf Neutronensternen entstehen. Neutronensterne sind unglaublich dichte Sternleichen, Überreste eines massiven Sterns. Obwohl sie die mehrfache Masse der Sonne haben, sind sie nur etwa 30 km gross - entsprechend gigantisch ist ihre Dichte (entsprechend stark können MSL, die durch kosmische Strahlung entstehen, abgebremst werden). Wenn nun ein MSL durch kosmische Strahlung auf einem solchen Neutronenstern erzeugt würde (die hohe Dichte des Neutronensterns würde solche MSL aus der kosmischen Strahlung innert nur einem Kilometer stoppen), wäre seine Chance, mit den Neutronen des Neutronensterns zusammenzustossen, Milliardenfach höher, seine "Fressgeschwindigkeit" entsprechend grösser als auf der Erde. Nun kennen wir aber Neutronensterne, die gut 100 Millionen Jahre alt sind. Wenn wir dies als Untergrenze der Zeit annehmen, die ein MSL braucht, um einen Neutronenstern zu verschlingen (würde das MSL schneller fressen, dürfte es keine so alten Neutronensterne geben), dann können wir daraus berechnen, wie viel Zeit das MSL im Erdinneren brauchen würde, um die Erde zu verschlingen. In rund 10 Milliarden Jahren, wenn die Erde schon längst von der Sonne verschlungen wurde, wäre das MSL erst auf einen winzigen Bruchteil der Masse der Erde angewachsen: rund ein Billionstel der Erdmasse oder rund eine Million Tonnen.

Magnetische Monopole, Strangelets und Falsche-Vakuum-Katastrophen

Es wurden noch weitere potentiell gefährliche Kollisionsprodukte untersucht. Etwa Magnetische Monopole, hypothetische Teilchen mit einer Magnetladung ("Süd" oder "Nord", im Gegensatz zu einem Stabmagneten, der immer beide Magnetpole auf sich vereinigt), die in einigen speziellen Stringtheorien den Zerfall des Protons (einem Kernteilchen aller Atome) beschleunigen könnten. Oder "Stranglets", hypothetische Partikel aus sogenannt "seltsamer Materie" (von englisch "Strange"="seltsam"), die die unangenehme Eigenschaft haben sollen, "ansteckend" zu sein, das heisst, sie wandeln alles, womit sie in Kontakt kommen, in "seltsame Materie" um. Ein drittes Untersuchungsfeld umfasste die ebenfalls hypothetische "Falsches-Vakuum-Katastrophe", wonach das Universum, wenn an einem Ort nur eine genügend hohe Energiedichte vorhanden ist, in einen anderen "Vakuumzustand" wechseln könnte. In all diesen Fällen konnte Entwarnung gegeben werden, weil erstens die vom LHC erreichten Energiedichten nie und nimmer ausreichend sind, um diese Teilchen/Partikel/Katastrophen auszulösen und zweiten weil sie, mit Ausnahme der "Falsches-Vakuum-Katastrophe", allesamt vom Bombardement kosmischer Strahlung in der Erdatmosphäre hätten erzeugt werden können.

Fassen wir also nochmals zusammen:
- Wenn am LHC in Genf mikroskopische Schwarze Löcher überhaupt entstehen können...
- ...dann sind sie schon seit Jahrmilliarden in der Erdatmosphäre entstanden, ohne dass seither etwas passiert wäre
- ...dann würden sie, nach allem was wir wissen, über die Hawkingstrahlung in kürzester Zeit (10^-27 Sekunden) zerfallen
- ...dann wären sie höchstwahrscheinlich so schnell, dass sie dem Gravitationsfeld der Erde entkommen würden
- ...und selbst, wenn sie aus irgend einem Grund nicht zerfallen und nicht entkommen würden: Astronomische Beobachtungen zeigen, dass selbst Himmelskörper, die Milliardenfach dichter sind als die Erde und entsprechend schneller “gefressen” würden, viele hundert Millionen Jahre alt werden - Man darf also ruhig daraus schliessen, dass keinerlei Gefahr besteht, dass die Erde in kürzester Zeit von einem mikroskopischen Schwarzen Loch gefressen wird.

Gleiches gilt sinngemäss für die anderen potentiellen "Gefahren".

Der Weltuntergang wird nicht in Genf stattfinden. Zumindest nicht diesen Sommer, und auf jeden Fall nicht durch den LHC.

Ich danke mac aus dem Astronews.com-Forum herzlich für seine Beiträge zu diesem Artikel.

Quellen:
Seite des CERN zum Thema
Ausführlicher Bericht zum oberen Vortrag
Aktueller Sicherheitsbericht des CERNs auf deutsch
Wissenschaftliche Arbeit, die sich ausführlich mit den genannten astronomischen Beobachtungen befasst
Hier sammeln die CERN-Gegner Geld für ihren Prozess und legen ihre Argumente dar

Nachtrag:
Wiederlegung Roesslers durch Experimente

Nachtrag 2:
Ein Artikel auf englisch, vom Inhalt her recht ähnlich gelagert wie dieser hier

Nachtrag 3:
Überarbeiteter, aktueller Sicherheitsreport zum CERN auf Arxiv.org