Dunkle Materie und dunkle Energie

A: Hast du gut geschlafen?

R: Ja, ich koche Kaffee.

A: Wir können auf den Balkon sitzen und Kaffee trinken! Bist du einverstanden?

R: Sicher, ich bringe schon den Kaffee. Wie schön, der Himmel ist blau, hell und klar.

A: Bestimmt, die Sonne scheint und alles ist schön und sichtbar, es existiert das Licht.

R: In der Schule haben wir gelernt, dass die ganze Welt aus Materie besteht und diese Materie besteht wiederum aus Atomen und irgendwelchen subatomaren Teilchen.

A: Im Alltag haben wir ständig mit Materie zu tun. Die Erde besteht daraus, alles um uns herum besteht aus Materie, die Möbel in unserer Wohnung, unsere Kleider, Gemüse, Wasser, Kaffees und natürlich unser Körper.

R: Kaffee ist bereit, ich schenke dir und mir einen ein, danach sitze ich. Oh, wie angenehm die Energie des Sonnenlichts auf meinem Gesicht. Was gibt es Neues?

A: Neue Forschungen weisen darauf hin, dass die sichtbare Materie, die wir um uns herum beobachten, wie die Planeten, Sterne und Galaxien, auch die Atome, aus denen unsere Welt besteht, nur 5 Prozent des gesamten Materie- und Energieinhalts des Universums ausmacht. Der Rest, nämlich die 95 Prozent des Universums besteht aus dunklen Substanzen und Stoffen.

R: Jetzt ist alles hell und klar. Was willst du mit dem Wort „dunkel“ ausdrücken?

A: Wenn die Forscher die Natur eines Phänomens oder die Beschaffenheit einer Erscheinung nicht erklären können, nennen sie dies „dunkel“. Die neuen Erkenntnisse zeigen auf, dass sich nur fünf Prozent der Materie und Energie in gewöhnlichen Atomen finden. 25 Prozent des Bestandteils des Universums existiert in irgendeiner Art unbekannter, dunkler Materie und 70 Prozent in dunkler Energie.

R: Also, die uns bekannte Materie macht nur fünf Prozent des Universums aus. Was für eine Neuigkeit! Wohlbemerkt, ich kann jetzt schon sagen, dass alle Physiklehrbücher falsch liegen und die Welt besteht nicht nur aus Materie. Woraus bestehen diese fünf Prozent? Was ist unsere bekannte Materie?

A: Die Materie, die wir kennen, die fünf Prozent des sichtbaren Universums ausmacht, liegt überwiegend in Form von Wasserstoff und Helium vor, nur 0.03 Prozent nehmen die Form der schweren chemischen Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Eisen… an. Also Teilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen, der Stoff aus dem du, ich und alles auf der Erde besteht.

R: Welche Form hat die dunkle Materie?

A: Dunkle Materie ist sehr sonderbar, sie besteht nicht wie normale Materie aus Atomen. Man kann sie vermutlich nicht anfassen, schmecken oder mit ihr interagieren. Die Forscher gehen davon aus, dass die dunkle Materie eine neue unbekannte Art von Teilchen ist. Es handelt sich um seltsame winzige Teilchen, die aus der Zeit kurz nach dem Urknall stammen, als das Universum sehr heiss und dicht war. Dunkle Materie ist eine Form unsichtbarer Materie, sie strahlt nicht, sie besitzt Masse, aber wechselwirkt nicht mit Licht. Sie hat Gewicht, aber wechselwirkt nicht mit dem Elektromagnetismus und deshalb können wir sie nicht sehen. Sie agiert nicht mit der Materie, sie betreibt keine Interaktion. Forscher wissen von ihrer Existenz nur aufgrund ihrer Gravitation.

R: Nun, du hast die Unsichtbarkeit als Form der dunklen Materie dargestellt. Welche Struktur hat die dunkle Materie?

A: Dunkle Materie befindet sich meist in einem riesigen Halo, in einem kugelförmigen Bereich in der Umgebung von Galaxien. Sie umhüllt die Galaxien, sie erzeugt die Gravitation, ihre Kraft lässt Dinge entstehen, sie bildet Strukturen und formt Galaxien und hält sie zusammen. Wie die Stahlträger beim Bau eines Hauses dienen die dunklen Materie Teilchen als eine Art Baugerüst und die herkömmliche Materie könnte sich an dieses Skelett anfügen.

R: Wenn die dunkle Materie aus Teilchen besteht, dann durchdringen sie mich in jeder Sekunde Millionen davon! Ist das so?

A: Ja, in der Praxis ist sie eher durchsichtig als dunkel, da sie durch deine Hand hindurchgeht, ohne dass du es merkst. Tatsächlich scheint es, dass dunkle Materie, die aus dem Weltraum auf die Erde trifft, unbeeinflusst durch den ganzen Planeten läuft und unversehrt auf der anderen Seite wieder herauskommt.

R: Dunkle Materie ist unsichtbar und interagiert nicht mit Licht und Materie, wie hat sie sich erkennen lassen?

A: Man kann die seltsame dunkle Materie indirekt beobachten, denn sie lenkt das Licht ab, ähnlich wie ein Glas, das den Weg des Lichtes verändert. Sie krümmt das Licht, wenn es durch sie hindurch geht und lässt sich daher durch die von ihr bewirkte optische Verzerrung lokalisieren und kartographieren.

R: Es ist verblüffend, was dunkle Materie anbelangt. Dank deiner Informationen weiss ich, dass die Materie, aus der meinem Körper beschaffen ist, nur 0.03 Prozent des gesamten Materie- und Energiegehalts des Universums ausmacht. Ich war immer davon überzeugt, dass ich ein Teil des Universums bin. Die Existenz dunkler Materie zeigt, dass die Atome, aus denen unsere Welt besteht, keineswegs etwas Besonders sind.

A: Wir sind alle ein Teil des Universums. Nur besteht der Grossteil des Weltraumes nicht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die ganzen Atome machen nur einen Bruchteil zirka 5% der Materie und Energie des Universums aus. Es ist klar, wir stehen nicht im Mittelpunkt des Geschehens in unserem dreidimensionalen Universum. Die vertrauten Elemente, aus denen unsere Welt und unser Körper gebaut ist, konstituieren nur 0.03 Prozent des bekannten Weltalls.

R: Wie wurde dunkle Materie entdeckt?

A: Die Geschichte der dunklen Materie beginnt in den 1930er Jahren, als Franz Zwicky, ein Astronom aus unserer Schweiz die Galaxien im Coma-Galaxienhaufen beobachtet.

R: Was ist Galaxienhaufen?

A: Ein Haufen ist eine grosse Ansammlung von Galaxien, die durch Gravitation aneinandergebunden sind. Coma-Galaxienhaufen ist eine Ansammlung von mehreren Tausend Galaxien und liegt etwa 370 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

R: Erzähle weiter!

A: Franz Zwicky findet heraus, dass die Galaxien in den Aussenbezirken des Haufens so hohes Tempo besassen, dass sie eigentlich aus dem Haufen hinausgeschleudert werden müssten, gleich wie Tropfen, die von einem rotierenden Fahrradreifen fliegen. Er vermutet, in dem Haufen ist zusätzliche Materie, die kein Licht abgibt, dennoch zusätzliche Gravitationskraft bereitstellt, die erforderlich ist, um den Galaxienhaufen zusammenzuhalten. Die Masse des Coma-Galaxienhaufens muss überwiegend aus solchem nichtleuchtenden Material bestehen. Er äusserte die Vorstellung, es müsse dunkle Materie geben, wie er sie auf Deutsch nennt.

R: Also Franz Zwicky hat entdeckt, dass die Welt mehr enthält, als das Auge sieht.

A: In den 1960er und 1970er untersucht Vera Rubin, eine Astronomin aus USA, die Bewegungen der Sterne in zahlreichen rotierenden Galaxien und gelingt zum Schluss, dass viele Sterne aus ihrem Galaxien hinausgeschleudert werden müssen, wenn nur vorhanden wäre, was man sieht. Sie entdeckt, dass die Geschwindigkeit der Sterne konstant bleibt, unabhängig von ihren Entfernungen zum Mittelpunkt der Galaxie und die Sterne bleiben aber gravitativ eingebunden. Sie findet heraus, dass die sichtbare galaktische Materie keine Gravitationsanziehung ausüben kann, um die besonders raschen Sterne daran zu hindern, sich aus dem Schwerkraftgriff der betreffenden Galaxien zu lösen. Sie stellt dar, dass jede Galaxie in eine riesige Kugel aus nichtleuchtender Materie eingebettet ist, deren Gesamtmasse die der leuchtenden Materie der Galaxie bei weitem übertrifft. Diese Erfindung verdeutlicht die fehlende Masse, die den Zusammenhalt der Galaxien hervorbringt. Und so gelangen die Astronomen zu dem Schluss, das Universum müsse von dunkler Materie durchdrungen sein – einer Materie, die nicht zu Sternen verklumpe, daher kein Licht abgebe und auf diese Weise eine Gravitationsanziehung ausübe, ohne selbst sichtbar zu werden.

R: Es sieht so aus, dass die Sterne und zwar die leuchtenden Bestandteile des Universums nur blosse Markierungslichter sind, die auf einem riesigen Meer der dunklen Materie schwimmen. Von aussen betrachtet, gleichen wir denjenigen Zuschauern, die die Anwesenheit eines dunkel gekleideten Darstellers sehen, während auf der unbeleuchteten Bühne nur seine mit weiss bedeckten Ärmel erkennbar sind.

A: Exakt, dunkle Materie bildet Klumpen. Einige Wissenschaftler vertreten die Meinung, dass dunkle Materie kalt ist. Sie ist kalt, weil sich ihre Teilchen vergleichsweise langsam durch das Universum bewegen und deshalb kann die dunkle Materie überhaupt Klumpen bilden. Zur Zeit des Urknalls existierte nur jene Ursuppe, die überall herumtreibt. Ihre Zutaten waren relativ einfach und die erste war tatsächlich dunkle Materie, den unsichtbaren Stoff. Glücklicherweise war sie schwer genug und die Ausdehnung des Universums abzuhalten und alles zusammenzuhalten. Während sie die ersten 300’000 Jahre vor sich hinhockt, baut sie eine Art Skelett. Nach weiteren 100’000 Jahren kommen die nächsten Zutaten, nämlich Atome und Moleküle tauchen auf und sie fallen tatsächlich in diesem Skelett der dunklen Materie. In den Strukturen der dunklen Materie beginnt die sichtbare Materie Sterne zu formen und später die ersten Galaxien zu bilden, unsere Milchstrasse ist eine davon. Die Forscher sind davon überzeugt, dass ohne dieses Skelett der dunklen Materie, der unsichtbare Klebstoff, der alles zusammenhält, würde es keinen Planeten, keine Sterne, Galaxien und auch kein Leben geben.

R: Nun, dunkle Materie besitzt eine Form, sie ist unsichtbar. Dunkle Materie erzeugt die Gravitation, dies verrät ihre Struktur und dunkle Materie lenkt das Licht ab, dies verdeutlicht deren Gestalt.

A: Richtig, gewöhnliche Materie aus Protonen, Neutronen und Elektronen macht nur 5 Prozent der gesamten Materie- und Energiedichte des Weltalls aus. Der grösste Teil dieser gewöhnlichen Materie steckt in Gaswolken aus Wasserstoff und Helium zwischen den Sternen und Galaxien. Der Anteil der in Sternen erbrüteten schweren chemischen Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stichstoff, Phosphor, Eisen und so weiter, aus denen unsere Welt und uns selbst aufgebaut und geformt worden sind, beträgt nur 0.03 Prozent des ganzen sichtbaren Universums. Derzeit ist die Natur der dunklen Materie rätselhaft. Dunkle Materie lässt sich durch ihre Schwerkraft erkennen und diese beeinflusst die Bewegung von Sternenhaufen, Gaswolken und ganzen Galaxien in Galaxiengruppen sowie die Rotation von Galaxien. Dunkle Materie hat 85% bis 90% der Masse des Universums.

R: Also, wir wissen, dass dunkle Materie aus Teilchen zusammengesetzt ist, die Masse haben, aber nicht mit dem Elektromagnetismus wechselwirken, deswegen können wir sie nicht sehen, sondern indirekt beobachten und kartieren. Woraus können diese mysteriösen Teilchen bestehen? Wie lässt sich dunkle Materie erklären?

A: Manche Forscher glauben, es liege daran, dass dunkle Materie in einer anderen Dimension existiere, unzugänglich für uns Menschen. Wie einst ein Physiker bemerkte, es wäre denkbar, dass der gravitative Einfluss in Galaxien und Galaxienhaufen, den wir der dunklen Materie zuschreiben, eigentlich durch Materie- Konzentrationen in anderen Dimensionen verursacht wird. Wir spüren ihren Einfluss in unseren Dimensionen, werden aber sie dort nicht entdecken können. Und daraus lässt sich eine Theorie ableiten, die behauptet, dunkle Materie – eine unsichtbare Materieform, die das Universum umgibt – könnte gewöhnliche Materie sein, die in einem Paralleluniversum schwebt. Dunkle Materie könnte eine gewöhnliche Galaxis sein, die über uns in einem anderen Membranuniversum schwebt. Wir können die Gravitation dieser Galaxis spüren, da Gravitation als Raumzeitkrümmung zwischen zwei Universen strömen kann, während uns die andere Galaxis verborgen bleibt. Dadurch gibt es in der Galaxis zwar Gravitation, die Galaxis selbst wäre aber unsichtbar.

R: Also, die Materie, die wir kennen macht nur fünf Prozent des sichtbaren Weltalls aus. Atome, aus denen unserer Welt besteht, machen nur 0.03% des Universums aus. Das Universum besteht 25 Prozent aus dunkler Materie. Woraus besteht den Rest?

A: Das restliche 70 % besteht aus dunkler Energie.

R: Als wäre dunkle Materie nicht verrückt genug, gäbe es auch dunkle Energie, noch eine rätselhafte Substanz! Was ist Energie?

A: Energie ist ein Gestaltwandler. Wie mythische Gestaltwandler, die sich aus einem Menschen in ein Tier in eine Pflanze in einen Stein verwandeln konnten, kann auch die Energie ihre Form ändern. Zu den vielen Gestalten, welche die Energie annehmen kann, gehören die kinetische, die potentielle, die chemische, die elektrische, die nukleare und die thermische (Wärme-) Energie. Ständig wandelt sie sich aus einer Form in die andere. Wasser fliesst über die Niagarafälle und wird schneller. Das mit kinetischer Energie geladene fliessende Wasser wird auf eine Turbine geleitet, wo es die Rotoren antreibt. Elektrizität wird erzeugt und fliesst durch Drähte in das Stromnetz. Alles was in Bewegung ist, hat Energie. Menschen und Lebewesen brauchen Energie, um leben zu können. Die Nahrung, die wir zu uns nehmen, verwandelt sich in uns zu Energie. Gerade das Licht der Sonne, das sich auf deinem Gesicht warm anfühlen lässt, wird sich in dir in Energie umwandeln. Wir produzieren und verbrauchen die Energie, wenn wir uns bewegen, unsere Wohnung wärmen, Wasser kochen, mit dem Zug oder Auto fahren. Obwohl wir das Wort Energie ständig brauchen und benutzen, bleibt die Vorstellung davon doch ziemlich verschwommen. Wir neigen dazu, Energie hinsichtlich der Aufgaben zu verstehen, die sie für uns erledigt. In der Tat ist die Energie ein viel undurchsichtigeres Konzept. Wir können einen Eindruckt über die Energie erwerben, wenn wir sie als separate, eigenständige Instanz betrachten und die dunkle Energie ist sogar noch unzugänglicher.

R: Worauf willst du hinaus?

A: Die Existenz der dunklen Energie wurde erstmals beim weiten Blick in die Tiefen des Weltalls festgestellt, als die Astronomen mit ihren Teleskopen die Galaxien und Galaxienhaufen schauten, massen und beobachteten. Ein Blick in die Tiefe des Universums ist auch ein Blick zurück in der Zeit. Tatsächlich sehen wir die Vergangenheit des Weltraumes. In den 1920er hat Erwin Hubbel herausgefunden, dass sich die Galaxien von uns entfernen. Diese Entdeckung bestätigt, dass es einmal einen Anfang gegeben hatte, nämlich ein Urknall stattgefunden hatte. Heutzutage wissen wir, dass der Urknall nicht eine Explosion im Raum ist, sondern er ist die Explosion des Raums selbst und dem inflationären Urknallmodell zufolge dehnt sich das Universum aus.

R: Was willst du zum Ausdruck bringen?

A: Die Wissenschaftler wissen schon länger, dass sich das Universum seit dem Urknall vor 13.8 Milliarden Jahre ausdehnt. Bis vor einigen Jahren waren die Forscher der Auffassung, dass die Expansion des Universums wegen der Schwerkraft irgendwann verlangsamen würde oder sogar umkehren würde, aber dann haben sie entdeckt, dass eine unsichtbare, rätselhafte Energie der Schwerkraft entgegenwirkt. In den 1990er fanden sie heraus, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Irgendetwas verursacht die Beschleunigung der Expansion vom Raum, nämlich der Raum, in dem das sichtbare Universum existiert. Das Universum wird täglich grösser, das heisst, dass wir immer weniger von ihm sehen können. Astronomen sprechen von dunkler Energie als die Ursache der beschleunigten Expansion des Weltalls.

R: Was ist denn dunkle Energie?

A: Die Forscher sind sich noch nicht sicher, was dunkle Energie eigentlich ist. Es könnte eine Art innere Energie des Raums selbst sein, die ihn immer grösser werden lässt. Dunkle Energie scheint aus dem Nichts stehen, aus leeren Raum. Sie ist die Energie des leeren Raums, des reinen Vakuums. Sie ist eine Art von Energie, die sich nicht anhäuft. Sie ist eine Form von Energie, die nicht von irgendwelcher Materie getragen wird, sozusagen sie lässt sich nicht vor irgendeiner Form von Materie herrühren. Sie ist die grösste Energiequelle im gesamten Universum. Dunkle Energie verursacht die Ausdehnung des Raumes und damit schiebt und treibt die Galaxien und Galaxienhaufen auseinander. Mehr als zwei Drittel, nämlich 70 Prozent des Gesamtinhalts des Universums sind auf diese seltsame Energiequelle zurückzuführen.

R: Es ist ungewöhnlich, dass die Wissenschaftler über den grossen Teil des Universums nicht wissen. Jedes Schulkind weisst heutzutage, dass 70 % die Oberfläche der Erde aus Wasser besteht und in diesem Fall heisst es, dass wir nicht wissen, was Wasser ist?

A: Exakt, nach und nach aber immer schneller sorgt die dunkle Energie für eine immer grössere Ausdehnung des Raums und die Galaxienhaufen auseinanderzudriften. Die Galaxien dehnen sich nicht aus, sondern der Raum zwischen ihnen dehnt sich aus. Galaxien können wir durch Markierungspunkte auf einem Luftballon andeuten. Wenn der Luftballon aufgeblasen wird, bewegen sich diese Punkte voneinander weg. Die Entfernungen zwischen ihnen vergrössern sich mit der Ausdehnung des Luftballons. Wenn wir das Universum betrachten, bewegen sich alle Galaxien von uns weg. Denselben Eindruck hätten wir, wenn wir das Universum von einer anderen Galaxie aus betrachten könnten. Du kannst dir die Ausdehnung des Universums als ein aufgehendes Rosinenbrot vorstellen. Dabei sind die Rosinen die Galaxien und der Teig ist das Universum. Das Brot geht auf, weil die Hefe darin ist. Die Hefe lässt den Teig wachsen und damit auch den Abstand zwischen den Rosinen. Die Hefe zwingt dazu, dass das Brot aufgeht, endlich wie die dunkle Energie, die das Universum ausdehnt und vergrössert.

R: Was ist der Grund ihres Verhaltens?

A: Es gibt keine Erklärung, woher die dunkle Energie kommt, dennoch ist eine vernünftige Begründung denkbar, warum sie sich so verhält, wie wir es beobachten. Stellt man sie sich vor als die mit dem leeren Raum verbundene Energie, dann stützt sich die Menge der vorhandenen Energie allein auf die Grösse des verfügbaren Raums. Während das Universum expandiert, stehen mehr Raum und mehr von dieser Energie zur Verfügung.

R: Verfügt die dunkle Energie über eine Abstossungskraft? Besitz sie ein Antigravitationseffekt?

A: Ich weiss es nicht. Wenn die Forscher in der Zeit zurückblicken und ihre Instrumente benutzen, um tief ins Weltall einzudringen, dann scheint es, dass vor rund fünf Milliarden Jahren, kurz bevor sich die Erde bildete, die dunkle Energie die Führung übernommen hatte und die Beschleunigung erzeugt, was zur Verdopplung der Grösse des Universums alle zehn Milliarden Jahre führt.

R: Was soll ich darunter verstehen?

A: Es bedeutet, je mehr etwas wächst, umso schneller wächst es. Der Legende zufolge bot der Herrscher dem Bauer, der das Schachspiel erfunden hatte, eine Belohnung an. Der Bauer bittet um eine Belohnung, die sich bescheiden ausnimmt. Ein Reiskorn für das erste Quadrat auf dem Schachbrett, zwei für das zweite Quadrat, vier für das dritte und so weiter, sodass sich bei jedem weitern der 64 Quadrate die Zahl der Reiskörner verdoppelt. Der Herrscher erklärte sich einverstanden und erkannte mit Schrecken, dass er bald jedes Körnchen Reis in seinem Reich dafür aufwenden musste. Um die Reihe bis zum 64.Quadrat zu vollenden, wären rund 37 000’000’000’000’000’000 Reiskörner nötig gewesen. Und so scheint das Universum zu wachsen, wenn auch zugegebenermassen über einen grossen Zeitraum hinweg betrachtet.

R: Was wird in die Zukunft geschehen?

A: Mit der Expansion des Universums verteilt sich dessen Energie in einem immer grösseren Raum und irgendwann ist das Universum zu schwach, um neue Sterne entstehen zu lassen, wenn alte erlöschen und ohne Sterne, die Wärme erzeugen, stirb das Universum. Möglicherweise wird die geheimnisvolle dunkle Energie im Lauf der Zeit stärker, dann könnten die Galaxienhaufen auseinandergerissen werden, danach Galaxien und Planetensysteme und schliesslich Planeten, Menschen, Lebewesen und sogar die Atome, aus denen wir bestehen, solange bis nichts übrigbleibt. Alles wurde auseinandergerissen und das Universum gäbe es nicht mehr.

R: Wie definierst du die Auswirkungen der dunklen Materie und dunklen Energie in unserem Dasein?

A: Es ist schon klar, dass dunkle Materie und dunkle Energie aus unterschiedlichen Substanzen gegensätzlichen Charakters bestehen. Dunkle Materie neigt zu Anhäufungen, was auf die dunkle Energie nicht zutrifft. Die dunkle Materie dünnt bei der Expansion aus, dunkle Energie hingegen nicht. Dunkle Materie wirkt anziehend, dunkle Energie nicht. Dunkle Materie unterstützt die Bildung von Galaxien, dunkle Energie treibt sie auseinander. Deshalb glaube ich, dass die dunkle Materie uns gegenüber wohlwollend ist, während die dunkle Energie uns gegenüber gefährlich und sogar feindlich ist.

R: Am Ende kann es wohl gesagt werden, dass wir heute sehr genau wissen, was wir nicht wissen, und das sind gut 95 Prozent des Gehalts unseres Universums!

A: Hast du schon einmal einen Cappuccino getrunken?

R: Ja, sicher, wieso fragst du?

A: Vergleicht man das Universum mit einem Cappuccino, dann ist der Kaffee die seltsame dunkle Energie. Die ebenso rätselhafte dunkle Materie ist die aufgeschäumte Milch. Planeten, Sterne, Galaxien und auch wir sind das Schokoladenpulver auf dem Schaum.

 

 

 

Quellen:

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Clegg, Brian. Vor dem Urknall. Hamburg: Reinbek, 2013.

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Tegmark, Max. Unser mathematisches Universum. Berlin: Ullstein, 2015.

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