Die erste Illustration in Jaco de Swarts (33) Diplomarbeit zur Geschichte der Dunklen Materie ist das Foto eines Distortion-Pedals für eine E-Gitarre mit dem Typennamen Dark Matter. De Swart ist nicht nur Physiker und Philosoph (und Hühnerhalter und Plastiksammler), sondern auch in erster Linie Bassist. Nach dem Interview muss er direkt nach Utrecht, um mit seiner Band X Raiders zu üben, einmal gesehen Die Welt geht weiter, bei Paaspop und beim Zwarte Cross Festival. Fast jede Woche treten die fünf Jugendfreunde irgendwo auf. Hardrock-Musik, die mit Stilen und Genres spielt und bei der alles immer etwas anders ist, als man erwartet.
De Swart (groß, groß, große Locken, rot lackierte Nägel an der linken Hand, Sweatshirt mit den Texten Mortal Coil und Reaping Death auf den Ärmeln) ist Teilzeitwissenschaftler; Mindestens 20 Prozent seiner Zeit und Energie steckt er in die Musik und das soll auch in Zukunft so bleiben. Einen so großen Unterschied sieht er auch nicht wirklich: In beiden Fällen geht es um Kreativität, das Beschreiten unbekannter Pfade, nichts als selbstverständlich hinnehmen und sich gehen lassen.
Und nein, De Swart, der im nächsten Sommer zum renommierten Massachusetts Institute of Technology aufbrechen wird, hat nicht den Ehrgeiz, das Rätsel der Dunklen Materie mit eigenen Händen zu lösen – das können andere.
Es ist ein Rätsel, das Astronomen seit Jahrzehnten verwirrt. Fazit: Es muss viel mehr Materie im Universum geben, als man mit Teleskopen sehen kann. Fast sechsmal so viel, um genau zu sein. Das geht unter anderem aus Geschwindigkeitsmessungen im Universum hervor. Die äußeren Regionen von Galaxien wie zum Beispiel unserer eigenen Milchstraße drehen sich viel schneller als Sie vielleicht erwarten. Das lässt sich nur erklären, wenn diese Galaxien viel schwerer sind, als sie aussehen: Ohne die Schwerkraft enormer Mengen dunkler Materie würden die Sterne mit hoher Geschwindigkeit ins All geschleudert.
Ähnliches gilt für die Bewegungsraten von Galaxien in Haufen – kolossale Schwärme von Hunderten solcher Galaxien. Diese Geschwindigkeiten sind auch viel zu hoch und weisen auf das Vorhandensein von unsichtbarem Zeug hin. Und es gibt noch viele andere Hinweise auf die Existenz dunkler Materie.
Niemand weiß, woraus diese Dunkle Materie besteht. Alles deutet darauf hin, dass es sich um unbekannte Elementarteilchen handeln muss, aber sie wurden nie gefunden, und die Frage ist, ob das jemals funktionieren wird. De Swart mag das nicht wirklich; er interessiert sich besonders für die Geschichte des Mysteriums. „Für mich ist es nur lustiger und interessanter, wenn es noch keine Lösung gibt.“
Wie kommt man dazu, Physik und Philosophie gleichzeitig zu studieren?
„Ich habe mit Physik angefangen – ‚echte‘ Wissenschaft, dachte ich. Aber da vermisste ich bald eine breitere Perspektive. Ich habe auch ein paar schöne Kurse daneben gemacht und war von der Philosophie gefesselt. Die Physik ist sehr sachlich und befasst sich mit der Außenwelt; Philosophie ist reflektierender und viel mehr über sich selbst. Wie funktioniert Wissen; Was bedeutet eigentlich der Begriff „Beweise“? In beiden Welten war ich ein bisschen ein Außenseiter und stellte immer andere Fragen als die anderen. Dunkle Materie ist eine nette Verbindung: Wie ist es möglich, dass etwas, worüber noch so wenig bekannt ist, eine so wichtige, zentrale Rolle in der Wissenschaft spielen kann? Der Titel meiner Dissertation ist nicht umsonst Wie aus Dunkler Materie Materie wurde.†
Wie alt ist das Rätsel?
„Der Begriff ‚dunkle Materie‘ wurde erstmals vor hundert Jahren, im Jahr 1922, von dem Groninger Astronomen Jacobus Kapteyn in der Mai-Ausgabe von eingeführt Das Astrophysikalische Journal† Aber Kapteyn verwendete diese Beschreibung überhaupt nicht im zeitgenössischen Kontext – so wie jemand einen braunen Balken erwähnt haben muss, lange bevor der Begriff seine heutige Bedeutung erhielt. Elf Jahre später tat es auch der schweizerisch-amerikanische Astronom Fritz Zwicky, der manchmal als „Vater der Dunklen Materie“ bezeichnet wird.
Kapteyn hatte keine Ahnung, dass das Universum größer war als unsere eigene Milchstraße. Er zeigte, dass man im Prinzip unsichtbare Materie aufspüren und ihre Masse berechnen kann, indem man die Geschwindigkeit von Sternen misst. Zwicky führte solche Messungen für einzelne Galaxien in einem mehrere hundert Millionen Lichtjahre entfernten Haufen durch. Aber zu seiner Zeit gab es noch viel Unsicherheit über das expandierende Universum und die Beobachtungen waren rar. Zwicky hat signalisiert, dass etwas vor sich geht, aber er hat das Mysterium der dunklen Materie auch nicht wirklich auf die Karte gebracht.
Wann wurde Dunkle Materie wirklich als ernsthaftes Problem angesehen?
„Es begann mit der Arbeit der amerikanischen Astronomin Vera Rubin. Rubin und ihr Kollege Kent Ford zeigten Ende der 1960er Jahre, dass sich die äußeren Regionen von Galaxien viel schneller drehen, als man vielleicht erwarten würde. Radioastronomen – auch in den Niederlanden – führten vergleichbare Messungen durch. Der Begriff „dunkle Materie“ kommt in den ersten Veröffentlichungen von Rubin und Ford noch nicht einmal vor. Erst Mitte der 1970er Jahre waren alle von der Existenz riesiger Mengen mysteriöser dunkler Materie überzeugt.
„Das lag am Aufkommen der Kosmologie – der Erforschung des Universums als Ganzes. Dank allerlei neuer Technologien, die oft indirekt aus dem Kalten Krieg stammen, war es möglich, den Aufbau und die Entwicklung des gesamten Universums auf physikalische Weise zu beschreiben. Eine neue Generation junger Kosmologen wollte die Frage beantworten, wie viel Masse das Universum als Ganzes enthält, denn sie bestimmt die Zukunft: dehnt sich der Raum nach dem Urknall immer aus oder hört die Schwerkraft jemals auf, sich auszudehnen?
„Die letztere Option war beliebt, aber dann musste der Kosmos viel unsichtbare Materie enthalten. Und dann gab es plötzlich drei „Probleme“, die mit einer übergreifenden Idee gelöst werden konnten: die Bewegungen von Galaxien in Haufen; die schnelle Rotation der Galaxien und die „fehlende Materie“ der Kosmologen. Diese eine Idee war das aktuelle Konzept der Dunklen Materie, das wir zum großen Teil der Arbeit von Jim Peebles verdanken, der dafür 2019 den Nobelpreis für Physik erhielt.“
Und dann wandten sich Teilchenphysiker plötzlich dem Rätsel zu.
„Ja, ungefähr zur gleichen Zeit gab es eine Symbiose zwischen Kosmologie und Teilchenphysik – wer den Urknall erforscht, braucht beide Bereiche. Ich bin davon überzeugt, dass das Problem der Dunklen Materie bei dieser Synthese eine wichtige Rolle gespielt hat. Peebles zeigte, dass das mysteriöse Zeug aus unbekannten Elementarteilchen bestehen muss und dass dies auch den Ursprung der großräumigen Struktur des Universums mit seinen Haufen und Superhaufen von Galaxien erklärt.
„Auch die Teilchenphysik war in den 1970er Jahren eine große Erfolgsgeschichte. Physiker hatten das Standardmodell entwickelt, das alle bekannten Teilchen und Kräfte beschreibt. Leistungsstarke Teilchenbeschleuniger wurden am Cern in Amerika und Europa gebaut. Neue Entdeckungen folgten in rascher Folge aufeinander. Es gab ein starkes Gefühl von „Wir verstehen, wie das funktioniert, wir werden dieses Teilchen der Dunklen Materie finden“. Aber ja, wir sind jetzt mehr als vierzig Jahre später und das Rätsel ist immer noch nicht gelöst.
„Daher ist es nicht verwunderlich, dass es in letzter Zeit ein erneutes Interesse an alternativen Gravitationstheorien gibt, wie das meines Co-Betreuers Erik Verlinde. Ihm zufolge existiert dunkle Materie gar nicht, aber wir müssen lernen, die Schwerkraft und die grundlegenden Naturgesetze ganz neu zu verstehen. Es steht viel auf dem Spiel; faszinierend.
„Meine eigene Recherche zur Geschichte der Dunklen Materie zeigt jedenfalls, dass Wissenschaft keineswegs ein linearer Prozess ist und man mit dem Begriff „schlüssige Beweise“ vorsichtig sein muss. Außerdem ist Dunkle Materie für jeden ein anderes Problem. Für Teilchenphysiker geht es um neue Physik jenseits des Standardmodells, für Astronomen um die Erklärung der Eigenschaften des Universums und für Leute wie Verlinde um unser Verständnis der Schwerkraft.“
Der Begriff „Dunkle Materie“ ist mittlerweile hundert Jahre alt. Werden wir jemals die Lösung des Rätsels sehen?
„Für viele Wissenschaftler beginnt die Suche frustrierend zu werden. Ich arbeite an einer anthropologischen Studie des unterirdischen Xenon-Experiments in Italien, das eine langjährige Suche nach dunkler Materie war – bisher ohne Erfolg. Auf der einen Seite steht die Romantik der Suche nach etwas Grundlegendem; andererseits die Banalität des Arbeitsalltags, in dem ein Heer von Studenten damit beschäftigt ist, buchstäblich jede Schraube bis zur Perfektion zu reinigen, um das Experiment so sensibel wie möglich zu gestalten. Diese Kombination hat etwas Tragisches.
„Andererseits wurden Gravitationswellen – winzige Wellen in der Raumzeit – auch erstmals ein Jahrhundert nach ihrer Vorhersage durch Albert Einstein gemessen. Und Biologen jagten auch lange vor der Entdeckung der DNA nach einer Art genetischem Baustein des Lebens.
„Ich denke, dass wir über die Rolle der Wissenschaft bei der Organisation unserer Gesellschaft nachdenken müssen. Wir befinden uns mitten in einer ökologischen Krise; die Erde brennt. Aber Physiker sind sehr gut darin, den Rest der Welt zu ignorieren. Sie träumen bereits von einem noch größeren und teureren Teilchenbeschleuniger als neue Waffe in ihrem Kreuzzug zum Verständnis der Natur. Ist es das alles wirklich wert? Wann ist es genug? Ich denke, das ist ein Spannungsfeld, in das sich die Physik noch hineinfinden muss.“