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Was ist das älteste Licht des Universums? - Der kosmische Mikrowellenhintergrund | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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Jede Sekunde durchqueren rund 400 Millionen uralte
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Photonen jeden Quadratsentimeter deines Körpers.
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Du kannst sie nicht sehen und nicht spüren, doch
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sie sind da, das älteste Licht des Universums,
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entstanden in einem Moment, als der Kosmos zum
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ersten Mal durchsichtig wurde. Diese Folge widmet
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sich dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, jener
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Reliktstrahlung, die seit fast 14 Milliarden
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Jahren unaufhörlich durch den Raum reist. Wir
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spüren der Entdeckung dieses schwachen Rauschens
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durch zwei Radioastronomen nach und reisen zurück
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in die ersten 380 .0 Jahre der Kosmosgeschichte,
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als das Universum noch ein undurchsichtiger,
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glühender Nebel aus Protonen und Elektronen war.
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Wir betrachten, wie sich bei etwa 3000 Grad Celsius
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die ersten Wasserstoffatome bildeten und das
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gefangene Licht schlagartig freigelassen wurde.
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Die ständige Ausdehnung des Raums hat dieses
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einst orange leuchtende Licht über Jahrmilliarden
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so stark gedehnt, dass es heute als eisiges Mikrowellenflüstern
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bei minus 270 Grad Celsius existiert. Darüber
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hinaus untersuchen wir die winzigen Temperaturschwankungen
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in dieser Strahlung, die von Satelliten wie Planck
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vermessen wurden. Sie zeigen uns die Keime der
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ersten Sterne und Galaxien, sowie die architektonischen
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Grundmuster von allem, was wir heute kennen.
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Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer
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wieder zu einer grundlegenden Vorstellung zurück.
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Wir sind nicht getrennt von dieser uralten Strahlung,
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sondern bestehen aus Materie. die aus genau jenen
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Dichteunterschieden hervorging. Es fasziniert
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mich zutiefst, dass die leiseste und älteste
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Stimme des Kosmos uns umgibt, ohne dass wir sie
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jemals bemerken und dass wir lernen mussten,
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technologisch völlig still zu sein, um sie überhaupt
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hören zu können. Gerade jetzt, während du hier
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sitzt, durchqueren etwa 400 Millionen uralte
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Photonen jede Sekunde, jeden Quadratzentimeter
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deines Körpers. Licht, das seine Reise begann,
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bevor die Erde existierte, bevor irgendein Stern
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geboren wurde, bevor es überhaupt etwas gab,
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das es hätte sehen können. Du kannst es nicht
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spüren. Du kannst es nicht sehen. Und genau das,
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das versichere ich dir, macht es wert, 15 Minuten
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deines Abends damit zu verbringen. Es gibt ein
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Licht, das dich gerade jetzt umgibt, während
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du hier sitzt, während du atmest. Nicht das Licht
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von einem Fenster oder einem Bildschirm. Etwas
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Älteres. Etwas, das seit fast 14 Milliarden Jahren
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auf dich zuheißt. Es durchquert deinen Körper
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in stille Augenblick für Augenblick und du kannst
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es nicht sehen. Das ist keine Metapher. Das ist
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das älteste Licht. dass es gibt das Nachglühen
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des ersten sichtbaren Moments des Universums.
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Und es füllt ausnahmslos jeden Kubikzentimeter
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des Raums um dich herum. Um zu verstehen, warum
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dieses Licht hier ist und warum es für uns unsichtbar
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geworden ist, müssen wir mit einem Rätsel beginnen,
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das 1965 ohne Vorwarnung auftauchte. Zwei Radioastronomen
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namens Arno Penzias und Robert Wilson arbeiteten
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mit einer großen Antenne in New Jersey und versuchten,
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Signale vom Himmel zu untersuchen. Aber sie hörten
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immer wieder etwas, das sie nicht erklären konnten.
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Ein schwaches, bleichmäßiges Rauschen. Es kam
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aus allen Richtungen gleichermaßen. Es veränderte
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sich nie. Es war morgens da und nachts da, im
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Sommer und im Winter immer dasselbe sanfte, statische
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Flüstern aus allen Teilen des Himmels. Sie versuchten
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alles, um es zu beseitigen. Sie prüchten ihre
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Geräte auf Fehler. Sie zogen Stürmen von nahegelegenen
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Städten in Betracht. Irgendwann entfernten sie
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sogar Taubenkot von der Antenne. Denn der Kot
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kann schwache Wärmesignale erzeugen, die empfindliche
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Instrumente verwirren können. Der Kot wurde entfernt.
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Das Rauschen blieb. Es war kein Problem mit ihrem
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Teleskop. Es kam nicht von der Erde. Es kam von
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überall, auf einmal, als würde der gesamte Himmel
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selbst leise summen. Was Penzias und Wilson gefunden
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hatten, obwohl sie es anfangs nicht vollständig
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begriffen, war der kosmische Mikrowellenhintergrund.
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Das älteste Licht des Universums. Der abgekühlte
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Überrest eines Moments, in dem der gesamte Kosmos
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zum ersten Mal durchsichtig wurde, freigesetzt
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in einem einzigen Blitz, der seitdem unaufhörlich
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nach außen heißt. Ihre Entdeckung sollte ihnen
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schließlich den Nobelpreis einbringen. Aber in
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jenem Moment war sie einfach ein hartnäckiges
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Rätsel, ein Rauschen, das sich nicht zum Schweigen
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bringen ließ. Um zu verstehen, was dieses Licht
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wirklich ist, müssen wir in der Zeit zurückreisen,
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weit über die Menschheitsgeschichte hinaus, über
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die Entstehung der Erde hinaus, über die Geburt
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irgendeines Sterns hinaus. Wir müssen zu den
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ersten rund 380 .0 Jahren nach dem Anfang selbst
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gehen. als das Universum unvorstellbar anders
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war als heute. Stell dir, wenn du kannst, einen
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Kosmos ohne Dunkelheit vor, weil es keinen Raum
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gibt, den Dunkelheit in der uns vertauten Weise
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einnehmen könnte. Das gesamte Universum ist mit
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einem brodelnden, glühenden Nebel gefüllt. Die
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Temperatur liegt bei etwa 10 Millionen Grad.
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Alles ist Plasma. Eine Suppe aus nackten Protonen
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und Elektronen und Lichtphotonen, die sich alle
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mit ungeheuren Geschwindigkeiten bewegen, die
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alle ständig zusammenstoßen. Die Photonen können
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sich nicht in geraden Linien fortbewegen. Sie
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sind gefangen, werden endlos von den freien Elektronen
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um sie herum gestreut, als versuchte man durch
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einen Raum zu gehen, in dem jeder Schritt einen
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in eine neue Richtung schleudert. Das Universum
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ist undurchsichtig. Licht existiert überall,
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aber es kann nirgendwo entkommen. Es ist in einem
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ewigen Tanz mit der Materie gefangen. So ist
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der Zustand in diesen ersten 380 .0 Jahren. Das
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Universum dehnt sich aus und während es sich
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ausdehnt, kühlt es ab. Langsam, anfangs kaum
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wahrnehmbar, aber stetig. Die Teilchen werden
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langsamer. Die Abstände zwischen ihnen wachsen.
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Und dann, bei etwa 3000 Grad, geschieht etwas
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Bemerkenswertes. Die Temperatur ist gerade genug
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gesunken, dass Protonen und Elektronen sich endlich
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verbinden können. Sie finden einander und bilden
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Wasserstoffatome, die einfachsten und häufigsten
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Strukturen im Universum. Etwa drei Viertel der
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Materie wird zu Wasserstoff, etwa ein Viertel
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zu Helium und dieses Verhältnis besteht bis heute.
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Das Entscheidende an diesem Moment, den Wissenschaftler
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Rekombination nennen, ist, dass Wasserstoffatome
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elektrisch neutral sind. Sie streuen Photonen
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nicht so wie freie Elektronen. Plötzlich, fast
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in einem Augenblick, wird das Universum durchsichtig.
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das gefangen war und endlos in diesem heißen
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Plasma -Nebel hin - und herprallte, wird freigesetzt.
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Es strömt in alle Richtungen aus, in einem einzigen
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universumsweiten Blitz. Jeder Punkt im Raum sendet
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dieses Licht aus. Jede Richtung ist davon erfüllt.
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Und dann beginnt es seine Reise. Im Moment seiner
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Freisetzung ist dieses Licht sichtbar. Es glüht
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mit der Wärme der Oberfläche eines roten Riesensterns,
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etwa 3000 Kelvin, ein orange getönter Schein,
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der blendend wäre, wenn man irgendwie in diesem
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frühen Universum stehen und sich umsehen könnte.
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Aber man kann dort nicht stehen und niemand sonst
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kann es. Das Licht beginnt zu eisen und das Universum
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dehnt sich weiter aus. Hier beginnt etwas Subtiles
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und Tiefgreifendes zu geschehen, etwas... das
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leicht zu übersehen ist, wenn wir über Licht
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auf die gewöhnliche Weise nachdenken. Wir stellen
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uns Licht normalerweise so vor, dass es durch
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den Raum reißt, als wäre der Raum eine feste
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Bühne und das Licht bewegte sich über sie hinweg.
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Aber der Raum selbst ist nicht fest. Er dehnt
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sich. Er wächst. Und während das Universum expandiert,
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dehnt es das Licht, das durch es hindurch reißt.
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Stell dir eine Welle vor, die auf eine Gummiplatte
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gezeichnet ist. Wenn du die Platte an beiden
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Enden ziehst, dehnt sich die Welle. Ihre Gipfel
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rücken weiter auseinander. Bei Licht ist der
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Abstand zwischen den Gipfeln seine Wellenlänge
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und die Wellenlänge bestimmt seine Farbe und
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seine Energie. Während das Universum expandiert,
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wird jede Wellenlänge dieses uralten Lichts mitgedehnt.
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Das orange Glühen über 13 ,8 Milliarden Jahre
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um etwa das Tausendfache gestreckt, wandert im
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Spektrum nach unten. Rot wird zu Infrarot. Infrarot
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wird zu Mikrowellen. Das Licht wird nicht im
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gewöhnlichen Sinne schwächer. Es verwandelt sich.
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Es wird zu etwas, das unsere Augen nie zu erkennen
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entwickelt wurden. Heute ist... Dieses uralte
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Orange leuchten auf 2, 725 Kelvin abgekühlt.
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Das ist kaum über dem absoluten Nullpunkt, dem
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theoretischen Punkt, an dem alle thermische Bewegung
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aufhört. In vertrauteren Begriffen ausgedrückt
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sind das etwa minus 270 Grad Celsius. Das Licht,
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das einst wie eine Sternoberfläche loderte, summt
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heute im Mikrowellenbereich. Ein eisiges Flüstern,
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das empfindliche Radioteleskope wahrnehmen können,
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menschliche Sinne jedoch nicht. Und doch ist
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es überall. Gerade jetzt, während du hier sitzt,
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durchqueren ungefähr 400 Millionen dieser uralten
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Photonen jede Sekunde jeden Quadratzentimeter
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deines Körpers. Sie durchqueren Wände, die gesamte
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Erde, alles. Der kosmische Mikrowellenhintergrund
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ist die häufigste Form elektromagnetischer Strahlung
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im Universum und übertrifft sichtbares Sternenlicht
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um mehr als eine Million zu eins. Wir sind buchstäblich
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darin gebadet, darin eingetaucht, aus demselben
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Raum gemacht, der ihn enthält, und wir spüren
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nichts davon. Das mag wie eine ferne Kuriosität
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erscheinen. Ein schwaches Echo aus längst vergangener
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Zeit, ohne wirkliche Verbindung zu unserem gegenwärtigen
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Leben. Aber der kosmische Mikrowellenhintergrund
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ist nicht bloß altes Licht. Er ist eine Fotografie
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des Universums, als es jung war. Und wie jede
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gute Fotografie enthält er Details, die eine
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viel größere Geschichte erzählen. In den 1990er
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Jahren begann ein Satellit namens Kobe, diesen
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Hintergrund mit beispielloser Präzision zu kartieren.
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Später verbesserte WMAP diese Messungen um das
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50 -fache. Dann trieb der 2009 gestartete Planck
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-Satellit die Präzision noch weiter voran und
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entdeckte Temperaturschwankungen, die so schwach
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sind, dass sie nur wenige Millionstel Kelvin
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ausmachen. Um zu begreifen, was das bedeutet,
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stell dir vor, du versuchst, die Temperatur eines
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einzelnen Sandkorns auf der Erde aus der Entfernung
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des Mondes zu messen. Das ist die Empfindlichkeit,
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von der wir sprechen. In diese winzigen Schrankungen
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sind kein zufälliges Rauschen. Sie sind die wichtigsten
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Muster der Kosmologie. An den etwas wärmeren
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Stellen war das frühe Universum etwas dichter.
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an den etwas kühleren Stellen etwas weniger dicht.
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Diese Unterschiede waren winzig, etwa ein Teil
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in 100 .000. Aber die Schwerkraft verstärkt solche
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Unterschiede mit der Zeit. Die dichteren Regionen
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zogen mehr Materie an, wurden noch dichter, bis
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sie zu den Keimen der ersten Sterne wurden, dann
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zu Galaxien, dann zu den riesigen Galaxienhaufen,
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die wir heute sehen. Die kühleren, weniger dichten
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Regionen wurden zu den kosmischen Leerräumen,
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den enormen leeren Räumen zwischen den Strukturen
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hunderte Millionen Lichtjahre groß. Wenn wir
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den kosmischen Mikrowellenhintergrund betrachten,
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sehen wir eine Karte des Universums, als es 380
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.0 Jahre alt war, ein kosmischer Säugling. Diese
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Karte zeigt uns, wo alles begann, was wir heute
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sehen. Die Galaxien, die Leerräume, die Materiefäden,
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die sich durch den Kosmos ziehen, all das ist
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in diesen schwachen Temperaturwellen vorgezeichnet.
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Wir sind nicht getrennt von diesem uralten Licht.
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Wir sind das Ergebnis der Muster, die es enthält.
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Hier gibt es etwas noch Tieferes, etwas, das
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die größten Strukturen des Universums mit den
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kleinsten verbindet. Diese winzigen, dichte Schwankungen,
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diese Keime von allem, entstanden nicht aus dem
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Nichts. Sie gingen aus Quantenfluktuationen hervor,
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der inhärenten Unbestimmtheit, die auf den kleinsten
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Skalen der Wirklichkeit existiert. Im sehr frühen
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Universum, während einer Periode namens Inflation,
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dehnte sich der Arm exponentiell aus und verdoppelte
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seine Größe vielleicht hundertmal in einem Bruchteil,
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eines Bruchteils einer Sekunde. Diese Ausdehnung
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war so schnell, so gewaltsam, dass sie mikroskopische
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Quantenzitterungen auf kosmische Skalen streckte.
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Was als subatomare Unbestimmtheit begann, wurde
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zu den kavitativen Keimen von Galaxienhaufen.
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Denkt darüber nach, was das bedeutet. Die größten
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Strukturen, die wir kennen, Ansammlungen von
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tausenden Galaxien über hunderte Millionen Lichtjahre
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haben ihre Wurzeln in den kleinstmöglichen Fluktuationen
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des leeren Arms selbst. Der Quantenschirm der
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frühesten Momente bis zur Unkenntlichkeit aufgebläht,
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wurde zur Architektur von allem. Ohne diese winzigen
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Unregelmäßigkeiten wäre das Universum vollkommen
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gleichförmig und ein vollkommen gleichförmiges
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Universum bleibt für immer gleichförmig. Keine
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Sterne, keine Galaxien, keine Planeten, kein
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Leben. Der kosmische Mikrowellenhintergrund bewahrt
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die Aufzeichnung dieser Fluktuationen, eingefroren
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in dem Moment, als das Universum durchsichtig
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wurde. Und wir können diese Aufzeichnung heute
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lesen. Die Geometrie des Universums ist ebenfalls
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in dieses Licht geschrieben. Sorgfältige Messungen
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des kosmischen Mikrowellenhintergrunds sagen
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uns, dass das Universum flach ist, im technischen
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Sinne, dass parallele Linien parallel bleiben
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und Dreiecke -Winkelsummen von 180 Grad haben.
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Du kannst dir das vorstellen, indem du dir drei
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Raumschiffe vorstellst, die über Milliarden Lichtjahre
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hinweg ein Dreieck bilden und deren Laserstrahlen
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sich in Winkeln treffen, die sich zu genau 180
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Grad addieren, nicht mehr. Nicht weniger. Diese
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Flachheit sagt uns etwas Tiefgreifendes über
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die Gesamtdichte von Materie und Energie im Kosmos.
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Sie liegt exakt beim kritischen Wert an der Grenze
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zwischen einem Universum, das irgendwann in sich
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zusammenfallen würde, und einem, das sich für
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immer ausdehnt. Wir scheinen uns im ausbalancierten
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Fall zu befinden, auf der Messerschneide, Obwohl
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die Natur der dunklen Energie dieses Bild auf
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weise verkompliziert, die wir noch zu verstehen
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versuchen. Die Expansionsrate selbst lässt sich
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durch dieses Licht spüren. Stell dir zwei Galaxien
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vor, getrennt durch die Entfernung von der Erde
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zur Andromeda -Galaxie, etwa zwei 5 Millionen
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Lichtjahre. Aufgrund der kosmischen Expansion
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driften sie mit etwa 67 Kilometern pro Sekunde
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auseinander ungefähr die Geschwindigkeit, mit
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der ein Auto auf einer Autobahn fahren könnte.
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Nicht, weil sie sich durch den Raum bewegen,
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sondern weil der Raum zwischen ihnen wächst,
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langsam, unaufhaltsam, wie Stoff, der durch einen
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Webstuhl gezogen wird. Das ist keine Bewegung
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im gewöhnlichen Sinne. Das ist das Universum
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selbst, das sich dehnt und alles mit sich trägt,
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so wie es das uralte Licht trug und dehnte, über
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das wir sprechen. Die Instrumente, die wir gebaut
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haben, um dieses Licht wahrzunehmen, sind eine
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außerordentliche Leistung menschlicher Aufmerksamkeit.
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Die Detektoren des Planck -Satelliten wurden
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auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt
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gekühlt, Bis auf einen Bruchteil eines Grades
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über dem kältesten möglichen Zustand, damit die
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eigene Wärme der Detektoren das Signal, das sie
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finden sollten, nicht übertönen würde. Stell
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dir vor, ein Ohr zu bauen, das so empfindlich,
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so vollkommen still ist, dass es ein Flüstern
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von der anderen Seite eines überfüllten Arms
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hören könnte, während es selbst völlig lautjus
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bleibt. Das ist die Art des Zuhörens, die nötig
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ist, um Schwankungen von wenigen Millionen Stilgrad
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in einem Glühen zu erkennen, das den gesamten
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Raum erfüllt. Die Technologie dieses Zuhörens,
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insbesondere die supraleitenden Detektoren, die
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die schwächste mögliche Energie registrieren
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können, stellt eine Art technologischer Demut
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dar, ein Eingeständnis, dass wir, um die leiseste
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Stimme des Universums zu hören, zuerst lärmen
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müssen, selbst still zu sein. Aber der Wert der
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Erforschung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds
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ist nicht bloß technischer Natur. Er ist im tiefsten
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Sinne ein Akt der Selbsterkenntnis. Wenn wir
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dieses uralte Licht kartieren, kartieren wir
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die Bedingungen, aus denen wir hervorgegangen
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sind. Wir lesen die Geburtsurkunde des Universums,
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entziffern die früheste Handschrift der physikalischen
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Gesetze. Jede Messung verfeinert unser Verständnis
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davon, wie alt das Universum ist, was es enthält,
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wie es geformt ist, wohin es geht. Plancks Präzision
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erlaubt es uns, das Alter des Universums auf
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13 79 Milliarden Jahre zu datieren, mit einer
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Unsicherheit von nur 21 Millionen Jahren. Für
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ein so fernes Ereignis ist das außerordentliche
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Genauigkeit. Wir wissen heute, dass die ersten
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Sterne etwa 100 bis 200 Millionen Jahre nach
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der Rekombination zündeten und damit beendeten,
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was Astronomen das kosmische dunkle Zeitalter
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nennen. Diese ersten Sterne waren massereich,
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leuchtkräftig und kurzlebig, verbrannten ihren
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Kernbrennstoff schnell und reicherten das Universum
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mit schwereren Elementen an. Der kosmische Mikrowellenhintergrund
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liegt sogar vor diesen ersten Leuchtfeuern. Er
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ist Licht von bevor es irgendeine Lichtquelle
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im Universum gab, wie wir sie normalerweise verstehen,
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von vor den Sternen, von vor der Struktur, vom
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letzten Moment, als der Kosmos noch im Wesentlichen
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gleichförmig war. Darin liegt eine stille Tiefe,
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die keine Ausschmückung bedarf. Du bist nicht
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getrennt von dieser Geschichte. Der Raum, der
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sich um dich herum ausdehnt, der sich seit dem
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Anfang ausdehnt, trägt dieses Licht als Teil
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seines eigentlichen Gewebes. Die Quantenfluktuationen,
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die zu Galaxien wurden, wurden schließlich durch
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lange Ketten von Ursache und Wirkung auch zur
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Struktur deines eigenen Körpers. Der Kohlenstoff
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in deinen Zellen, der Sauerstoff, den du atmest,
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das Calcium in deinen Knochen. All das wurde
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in Sternen geschmiedet, die aus den Keimen entstanden,
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die im kosmischen Mikrowellenhintergrund sichtbar
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sind. Der Hintergrund selbst besteht nicht aus
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diesen schwereren Elementen. Er ist Licht von
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Beforelemente, in irgendeiner Form jenseits von
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Wasserstoff und Helium existierten. Aber er enthält
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das Muster, den Bauplan, die Anfangsbedingungen,
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aus denen alles andere folgte. Wenn du dieses
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Licht irgendwie sehen könntest, wäre der Nachthimmel
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nicht dunkel. Er wäre erfüllt von einem schwachen,
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gleichmäßigen Glühen, etwas wärmer an den Orten,
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wo sich schließlich Galaxien bilden würden, etwas
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kühler zu den Leerräumen hin, aber überall gegenwärtig.
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Die Sterne und Galaxien, die wir mit unseren
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Augen sehen, wären diesem tieferen, älteren Licht
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überlagert wie Verzierungen auf einem viel älteren
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Stoff. Unsere Augen haben sich entwickelt, um
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das Licht der Sterne zu erkennen, weil dieses
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Licht für das Überleben nützlich ist. Aber der
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Mikrowellenhintergrund ist die grundlegendere
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Beleuchtung. Das Licht, das zuerst da war, das
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überall bleibt, das uns mit dem Anfang verbindet.
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Das Universum war einst ein einziger ungeteilter
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Zustand extremer Hitze und Dichte. Was existiert,
23:25
teilte denselben winzigen Raum. Der kosmische
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Mikrowellenhintergrund ist der letzte Moment,
23:31
in dem diese Einheit noch sichtbar war, bevor
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die Expansion alles auseinanderzog und das Universum
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zu dem fragmentierten, strukturierten Ort wurde,
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den wir heute kennen. Indem wir ihn erforschen,
23:45
erforschen wir unsere eigenen tiefsten Ursprünge
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nicht als eine vom Kosmos getönte Geschichte,
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sondern als Teil davon. Das ist keine Frage des
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Glaubens oder der Empfindung. Es ist das, was
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die Messungen zeigen, was die Physik beschreibt,
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was das Licht selbst uns sagt, wenn wir lernen
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zuzuhören. Penzias und Wilson hörten zu, anfangs
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widerwillig, verärgert über ein Rauschen, das
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sie nicht beseitigen konnten. Aber sie blieben
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dran und sie erkannten schließlich, dass sie
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etwas Wirkliches hörten. Etwas von überall, etwas
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vom Anfang. Der kosmische Mikrowellenhintergrund
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verlangt nicht unserer Aufmerksamkeit. Er erzeugt
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keinen Ton, den wir hören können, kein Licht,
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das wir sehen können, keine Empfindung, die wir
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fühlen können. Er ist einfach gegenwärtig, war
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gegenwärtig, seit bevor es Wesen gab, für die
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er gegenwärtig sein konnte. und wird noch lange
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weiter bestehen, nachdem die letzten solcher
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Wesen verschwunden sind. Er ist die stillste
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mögliche Gegenwart, der älteste mögliche Zeuge,
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die umfassendste mögliche Verbindung zwischen
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uns und dem Ursprung von allem. Und er ist hier.
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Jetzt. Er durchquert dich, während du atmest,
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während du in dem sich ausdehnenden Raum existierst,
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der ihn trägt. Keine Metapher. Keine poetische
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Fantasie. Eine physikalische Tatsache, gemessen
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und bestätigt, kartiert und erforscht, so real
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wie der Boden unter deinen Füßen und weit älter.
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Das älteste Licht des Universums, das immer noch
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ankommt, immer noch seine Geschichte erzählt.
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Immer noch jeden Punkt im Kosmos mit jedem anderen
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Punkt verbindet durch die gemeinsame Erfahrung
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jenes ersten Moments der Durchsichtigkeit, jener
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ersten Freisetzung, jenes ersten Blicks auf das,
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was das Universum werden würde.