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SWR2 MANUSKRIPT
ESSAYS FEATURES KOMMENTARE VORTRÄGE
SWR2 Aula
Zwischen Triumph und Tragödie
Die moderne Astrophysik und ihre Abgründe (2/3)
Von Harald Lesch
Sendung: Sonntag, 28. Dezember 2014, 8.30 Uhr
Redaktion: Ralf Caspary
Produktion: SWR 2013
Bitte beachten Sie:
Das Manuskript ist ausschließlich zum persönlichen, privaten Gebrauch bestimmt. Jede
weitere Vervielfältigung und Verbreitung bedarf der ausdrücklichen Genehmigung des
Urhebers bzw. des SWR.
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Ansage:
Mit dem Thema: „Zwischen Triumph und Tragödie – Die moderne Astrophysik, Teil
zwei“.
Im ersten Teil hat der Astrophysiker Professor Harald Lesch aus München die
Triumphe seiner Disziplin beschrieben, man kennt die Bausteine der Materie, man
kann das Alter des Universums berechnen und in die Zentren von Galaxien
hineinschauen, das alles ist toll, aber: Daneben gibt es die Abgründe der
Astrophysik, das Dunkle, Unbeweisbare, das Mystische und Unerklärliche, als da
wären: schwarze Materie, schwarze Löcher, schwarze Energie. Um das Schwarze
geht es heute im zweiten Teil der AULA von und mit Harald Lesch.
Harald Lesch:
Es geht um die dunklen Seiten der Physik, um die nicht sichtbaren Dinge. Davon gibt
es eine ganze Menge. Die Physiker haben einige Verfahren entwickelt, um auch
solche unsichtbaren Prozesse im Universum in den Griff zu bekommen, indem sie
deren Wirkungen messen.
In dieser Sendung werde ich über Dinge sprechen, die man nicht sehen kann, ich
werde über Prozesse sprechen, die man nicht erklären kann. Aber trotzdem sind wir
fest davon überzeugt, dass es genauso ist, wie ich es sage. Ich gebe Ihnen ein
Beispiel, damit Sie eine Ahnung davon bekommen, wovon die Rede sein wird: Im 17.
Jahrhundert kannte man Planeten, die inneren vier, Jupiter und Saturn, und man
kannte das Gravitationsgesetz, das Newton formuliert hat (die Kraft zwischen zwei
Massen ist proportional zum Produkt der beiden Massen, aber umgekehrt
proportional zum Quadrat der Entfernung). Das war das Gesetz, das die Keplerschen
Regeln zusammenfasste, und damit holte man quasi den Himmel auf die Erde. Das
war der erste große Triumph der Physik. Es war jetzt möglich, die Bewegungen der
Planeten ganz genau auszurechnen. Man konnte genau ausrechnen:
Sonnenfinsternis, Mondfinsternis, die Stellungen der Planeten konnte man genau
ausrechnen, das war so, als hätte man einen Computer erfunden. Mit Hilfe dieser
Formel war es möglich, wirklich für jedermann, für jede Frau die Sterne vom Himmel
zu holen.
Dann entdeckte man Uranus und stellte fest, was Uranus macht; und genau das
konnte man nicht zusammenbringen mit den bekannten Planeten und deren
Wirkungen. Im Zentrum unseres Systems ist die Sonne, das dominante
Schwerkraftzentrum. Sie hat 333.000 Mal soviel Masse wie die Erde. Auch Jupiter ist
ein rechter Brocken mit 317 Erdmassen. Jupiter ist der größte Planet im
Sonnensystem, er ist doppelt so schwer wie alle anderen Planeten zusammen. Und
so konnte man aus der Anwesenheit von Sonne, von Jupiter und auch von Saturn
(95 Erdmassen) die Bewegungsveränderungen des Uranus fast erklären. Das „fast“
ist wichtig. Aber dann machte man Beobachtungen auf der Grundlage der Bahn des
Uranus, die zu der Annahme führten, da müsse noch ein Planet sein, und zwar einer,
der 15 bis 20 Erdmassen hat. Und diese Annahme war das erste Beispiel für die
Hypothese einer dunklen Materie. Man sah die Wirkung auf etwas, was man sehen
konnte, durch etwas, was man bis dahin noch nicht sehen konnte. Man machte also
eine Prognose, dass es da noch etwas geben müsse, weil sich das, was man sehen
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kann, so verhielt, als ob da noch etwas wäre. Denn nur Massen können Massen
bewegen.
Den gesuchten Planeten hat man dann auch gefunden, den nannte man Neptun.
Später hat man noch einen Planeten gefunden, Pluto, der ist inzwischen zum
Zwergplaneten erklärt worden. Durch mein Beispiel für die Vorgehensweise der
Physik, wie man aus dem, was man beobachtet, auf etwas schließt, was da sein
müsse, aber was man noch nicht gesehen hat, ist hoffentlich klar geworden: Die
Entdeckung des Neptun ist das klassische Beispiel, wie man Materie, die nicht
leuchtet, die man bis dahin noch nicht leuchten sah, verwenden kann, um die
Bewegungen zu erklären, die man beobachten kann. Und das ist den Astronomen
ein paar Mal passiert.
So ähnlich war es nämlich auch bei der Entdeckung der dunklen Materie um die
Milchstraße herum. Die Milchstraße ist eine Sternenansammlung, das ist das Band,
das Sie manchmal am Himmel sehen. Sie ist eine große Scheibe und sie dreht sich
mit 220 km/sec. um ihre eigene Achse. Diese Achse ist irgendwo im Zentrum
verankert, das Zentrum ist etwas dicker als der Rand und sieht aus wie ein großer
Ball. Ich habe die Milchstraße zum ersten Mal sehr deutlich auf einer griechischen
Insel gesehen und mich gefragt, wie kann man denn aus diesem Band schließen,
dass die Milchstraße eine Scheibe ist, eine rotierende Scheibe? Das ist eine lange
Geschichte, auf die ich hier gar nicht eingehen will. Aber man weiß eben, die
Milchstraße ist eine Spiralgalaxie mit einer Ausdehnung von 100.000 Lichtjahren.
Unser Sonnensystem ist ungefähr 27.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße
entfernt. Und im Zentrum der Milchstraße bewegen sich Sterne. Das können wir nicht
direkt sehen, weil der Blick ins Zentrum durch Gaswolken verdeckt ist. Die sind
übrigens auch dunkel, aber das ist ein Material, was uns keine größeren Probleme
macht. Das Material ist einfach kalt und strahlt deswegen kaum. Es sind Staub- und
Gaswolken, die den Blick ins Zentrum der Milchstraße verdecken. Aber wenn man
mit einem Infrarot- oder mit einem Nah-Infrarot-Teleskop bzw. mit einem
Radioteleskop dahin guckt, dann sieht man, was im Zentrum passiert: Da bewegen
sich Sterne mit sehr hoher Geschwindigkeit. Sie erinnern sich an meinen Spruch: Nur
Massen können Massen bewegen. Also wenn sich da etwas schnell bewegt, dann
muss da irgendwo eine sehr große Masse sein. Und genau diese Masse, die die
Sterne im Innersten unserer Milchstraße bewegt, kann man nicht sehen. Das ist
nämlich ein schwarzes Loch.
3 Millionen Sonnenmassen ist schwer. Das Schwarze Loch kann man mit der
allgemeinen Relativitätstheorie erklären: Wenn ein Körper seine Masse durch die
eigene Schwerkraft zu einem ganz kleinen Volumen zusammenpressen lässt, dann
wird er zum schwarzen Loch. Kurz gesagt: Sobald die Entweichgeschwindigkeit von
diesem Körper größer wird als die Lichtgeschwindigkeit, dann wird er zum schwarzen
Loch. Wenn man z. B. von der Erde weg will, dann muss man mit 11,4 km/sec. los
fliegen, ansonsten fängt die Schwerkraft der Erde einen immer wieder ein. Sie
erinnern sich an den Österreicher, der aus der Stratosphäre auf die Erde gesprungen
ist? Der hätte nicht an der Erde vorbeifliegen können, selbst wenn er es versucht
hätte, er wäre immer wieder von der Erde eingefangen worden. Aber zurück zum
Thema: Im Zentrum der Milchstraße sitzt also ein schwarzes Loch (schwarze Löcher
sind nicht die dunkle Materie, von der nachher noch die Rede sein wird.). Das war
eine tolle Geschichte, dass man aus der Bewegung der Sterne auf die Existenz eines
solchen fast „unmöglichen“ Objektes schließen konnte. Inzwischen weiß man sehr
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genau, wo sich das schwarze Loch befindet. Vielleicht ist da jetzt schon die
Gaswolke, von der 2012 die Rede war, hineingefallen. Man hat nämlich vor einigen
Jahren eine Gaswolke entdeckt, die praktisch auf dem Weg in dieses schwarze Loch
im Zentrum der Milchstraße ist. Auf ihrer Reise wird sie zerrissen, dabei wird Materie
beschleunigt. Beschleunigte Materie wird heißer und strahlt. Deswegen erwartete
man einen großen Ausbruch von Radio- und Röntgenstrahlen im Zentrum der
Milchstraße. Vielleicht haben Sie davon gehört.
Soweit zum Triumph der Physik: Man kann also aus der Bewegung von leuchtender
Materie auf Materie schließen, die nicht leuchtet. Schwarze Löcher sind das
Endresultat von großen Sternen, wenn die am Ende ihres Lebens explodiert sind und
der ganze Rest unter dem eigenen Gewicht zusammenfällt.
Zurück zur Milchstraße. Die Milchstraße dreht sich, und sie dreht sich zu schnell –
man würde eigentlich erwarten, dass sie sich langsamer, und zwar deutlich
langsamer als angenommen dreht. Das ist schon unerfreulich: Sie haben einen
Erwartungswert und meistens stimmt er auch, nur bei den ganz großen Dingen
scheint alles ganz anders zu sein. Die Milchstraße hat eine sogenannte
Rotationskurve. Man kann die Rotationsgeschwindigkeit der Milchstraße messen,
indem man z. B. Gaswolken beobachtet. Die Strahlung dieser Gaswolken ist ins Rote
verschoben, ich spreche hier von bestimmten Wellenlängen, wenn sich diese
Gaswolke von uns weg bewegt. Bewegt sich die Gaswolke auf uns zu, dann wird die
Strahlung dieser Wolke ins Blaue verschoben. Das ist die Sache mit dem DopplerEffekt: Kommt ein Feuerwehrwagen mit tatütata auf uns zu, erhöht sich der Ton, und
wenn er sich von uns weg bewegt, wird der Ton tiefer. Bei elektromagnetischer
Strahlung bedeutet das eine Frequenzverschiebung ins Rote, wenn der Ton tiefer
wird, und ins Blaue, wenn der Ton höher wird. So kann man durch genaue
Beobachtung der Rotverschiebung am Himmel feststellen, wie die Milchstraße sich
dreht. Man kennt die Rotationskurven aller Scheibengalaxien, die in unserer Nähe
sind. Das ist der Job des Astronomen, Rotationskurven aufzunehmen. Und was stellt
man fest? Die drehen sich alle viel zu schnell.
Weshalb drehen sie sich denn so schnell? Weil die leuchtenden Anteile der
Milchstraße offenbar umgeben sind von einer Form von Materie, die nicht strahlt, die
aber auch sonst offenbar nichts macht. Es ist nicht so, dass diese Materie Strahlung
verschlucken würde, die weit entfernten Galaxien sieht man ja ganz klar. Das Licht
geht da durch und macht mit dieser Form von Materie nichts. Sechs bis sieben Mal
mehr von dieser dunklen Materie muss es geben als es leuchtende Materie gibt.
Gibt es noch andere Sachen, die ähnlich merkwürdig erscheinen? Es gibt z. B.
Galaxien, die von sehr heißem Gas umgeben sind. Was macht heißes Gas? Es
verschwindet, weil die Teilchen in dem Gas eine hohe Bewegungsenergie haben und
deswegen entweichen können. D. h. wenn eine große Galaxie von einem heißen
Gas, also von einer Atmosphäre umgeben ist und eigentlich schon längst hätte
verschwinden müssen, dann muss diese leuchtende Galaxie noch einen Anteil von
Materie besitzen, der nicht leuchtet, dafür aber schwer ist – Stichwort: dunkle
Materie.
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt ja: Durch die Anwesenheit von Massen
werden Lichtwege gekrümmt. Wenn also eine Masse, z. B. die Sonne, da ist, wird die
Raum-Zeit-Achse so verbogen, dass das Licht, das auf der Raum-Zeit läuft, z. B.
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eine Mulde durchwandert. Das kann man im Sonnensystem ziemlich genau messen.
Das war übrigens auch der Beginn der Erfolgsgeschichte der allgemeinen
Relativitätstheorie. Eine großartige Theorie, und die hat eben die Vorhersage
gemacht, dass die Anwesenheit von Massen die Lichtwege krümmt.
Das würde bedeuten, die Anwesenheit von dunkler Materie müsste die Lichtwege
krümmen – Stichwort: Gravitationslinsen. Das hieße, man würde erwarten, dass
durch die Anwesenheit von dunkler Materie die Lichtwege von Licht, das von weit
entfernten Objekten kommt, so verbogen werden, dass die Abbildungen dieser weit
entfernten Objekte, also anderer Galaxien, total verzerrt wären. Das ist, als wenn
man mit einer schlechten Lupe auf eine große Landkarte guckt und sich dabei die
Kontinente total verändern, weil die Lichtwege, die durch die Lupe entstehen,
verschwommen und verbogen sind. Und was soll ich Ihnen sagen? Bingo, diese
Verzerrungen gibt es, Gravitationslinsen gibt es. Heute werden die Gravitationslinsen
sogar dazu verwendet, um die Menge der dunklen Materie genau auszurechen. Man
kann praktisch aus der Linsenwirkung der dunklen Materie auf die Masse der
dunklen Materie schließen. Wir haben also ganz klare Hinweise, ja, es gibt eine Form
von Materie im Universum, die keinerlei elektromagnetische Wechselwirkung hat,
also überhaupt nicht mit Licht oder elektromagnetischer Strahlungen wechselwirkt.
Was ist das für eine Materie? Das Material, aus dem die Erde besteht, ist es nicht,
das Material, aus dem die Sonne besteht, auch nicht – was ist es denn dann? Wir
kennen solche Teilchen, die mit nichts wechselwirken: Das sind die Neutrinos. Die
entstehen ja bei Kernreaktionen im Inneren unserer Sonne. Durch Ihren Daumen
gehen pro Sekunden so viele Neutrinos wie es Sterne in der Milchstraße gibt. Und
was machen die Neutrinos? Offenbar nichts, Sie merken nichts an Ihrem Daumen.
Denn Neutrinos sind Teilchen, die schwach wechselwirken, eine Kraft, die im
Atomkern wirkt und die wechselwirken eben nicht elektromagnetisch.
Ich wollte ja über die Niederlagen der Physik sprechen, über das Katastrophale, über
so etwas wie die Kapitulation: Was sind denn das jetzt für Teilchen in der dunklen
Materie? Niemand weiß es. Also alles Quatsch oder was? Nein, natürlich nicht. Es
gibt Elementarteilchen-Theorien, die sagen Teilchen-Familien voraus, die eben nicht
elektromagnetisch wechselwirken, die schwer sind – teilweise 100 Mal so schwer wie
unsere Protonen – , die aber sonst nichts machen außer schwer zu sein, die aber
vielleicht – und da sind wir bei der ganz großen Geschichte des Universums – im
ganz frühen Universum, als das Universum noch sehr klein, sehr heiß, sehr dicht
war, entstanden sein könnten. Denn die große Vorstellung der Kosmologie ist ja,
dass das Allergrößte mit dem Allerkleinsten zusammen kommt, nämlich wann? Am
Anfang. Am Anfang war die Energie, am Anfang muss alles eins gewesen sein, alle
Kräfte waren eins, und als das Universum sich quasi in seine Existenz geworfen hat,
könnte die Teilchen-Familien entstanden sein, die wir heute noch um alle leuchtende
Materie herum sehen.
Hier im Sonnensystem gibt es keine dunkle Materie. Neptun ist nicht dunkle Materie,
er besteht aus Material so wie Sie und ich. Neptun besteht aus Atomen, so wie Sie
und ich. Und er verschluckt auch Licht und gibt welches ab, gemäß seiner
Temperatur, und er reflektiert das Sonnenlicht. Wir wissen sogar, wie er aussieht, wir
haben Sonden zu ihm geschickt. Aber zur dunklen Materie der Milchstraße können
wir keine Sonden schicken.
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Also worum handelt es sich? Hier haben wir ein echtes physikalisches Problem, ein
Rätsel, das hoffentlich gelöst werden kann. Es gibt eine Disziplin, die versucht, das
zu erforschen, es geht um die Verbindung von Teilchenphysik und Astrophysik, um
die so genannte Astroteilchenphysik. Sie versucht aus der Verteilung der dunklen
Materie und aus den verschiedenen Wirkungen, die sie hat, darauf zu schließen,
woraus sie besteht. Geklärt ist das nicht. Aber man hat ein Forschungsprogramm,
was anhand von Experimenten der Teilchenphysik vielleicht ganz neuen Input
erfährt.
Es gibt noch etwas anderes, und das ist noch unerfreulicher: Das ist die dunkle
Energie. Wie erkläre ich das? Man hat seit Mitte/Ende der 90er-Jahre
Beobachtungen gemacht, dass das Universum nicht nur expandiert, sondern sogar
beschleunigt expandiert, dass also die Expansionsgeschwindigkeit systematisch
zunimmt. Das hat man erkannt, weil viele Objekte, von denen man meinte zu wissen,
wie weit sie weg sind, offenbar doch weiter weg sind, als man gedacht hat. Es muss
also eine Kraft geben, die das Universum weiter auseinander treibt und die diesen
Prozess beschleunigt. Früher war die nicht wirksam, vor 8 Milliarden Jahren hat sie
angefangen, das Universum in seiner Expansion anzutreiben. Vorher war die Materie
dominant. Die Materie war am Anfang ganz wichtig bei der Expansion des
Universums. Und um Haaresbreite, wenn noch mehr Materie da gewesen wäre, also
dunkle und leichte Materie, dann wäre die Expansion vielleicht sogar
zurückgegangen. Und dann wäre das Universum vielleicht sogar wieder in sich
zusammengefallen. Ist es aber nicht. Aber es war eben auch nicht so wenig Materie
da, dass von Anfang an das Universum total auseinander gerissen wäre. Denn dann
hätte es nicht einmal dazu kommen können, dass sich Galaxien bilden.
Das ist schon komisch. Wenn es stimmt, was wir Physiker sagen, und wenn unsere
Hypothese stimmt, nämlich die Hypothese, dass das Universum expandiert, dann ist
es ja schon komisch, dass die Materie sich unter ihrem eigenen Gewicht überhaupt
versammeln konnte. Denn wenn die Materie sich in einem expandieren Universum
verteilt, dann sollten sich eigentlich keine Materieansammlungen wie unsere
Milchstraße bilden können. Sie haben sich aber gebildet. Wahrscheinlich, weil es am
Anfang Dichteschwankungen gab, die sich unter ihrer eigenen Schwerkraft immer
mehr und mehr verdichtet haben. Das ist wie der Zins- und Zinseszins-Effekt: Da wo
mehr war, war auch ein bisschen mehr Gravitation. Gravitation ist ja überall wirksam,
aber da war sie ein bisschen stärker, und das zog dann systematisch die Materie an.
Die Gravitation zieht alles zu sich, deswegen ist heute das Universum in weiten
Teilen, zu 75 %, leer. Diese Leerräume nennt man „voids“. An den Wänden dieser
Leerräume haben sich Galaxien gebildet, die versammeln sich zu Galaxiengruppen,
Galaxienhaufen, zu Galaxiensuperhaufen – das kosmische Netz ist entstanden. Das
ist interessant. Wenn die Expansionsgeschwindigkeit am Anfang ein bisschen zu
groß gewesen wäre, dann wäre nichts passiert. Wenn es zu klein gewesen wäre,
wäre alles in sich zusammengefallen. Aber so ist ein kosmisches Netz entstanden.
Das Netz der Schöpfung.
Seit 8 Milliarden Jahren gibt es eine Kraft im Universum, die die Expansion weiter
beschleunigt. Was kann das gewesen sein? Am Anfang war das Universum sehr
klein, sehr heiß, sehr dicht, es hat einen hohen Strahlungsdruck gehabt. Dann
entstand die Materie, und dann war die Materie mit ihrer Masse wichtig. In der
Relativitätstheorie heißt es: e=mc2. Wenn ich von dunkler Energie spreche, dann ist
doch diese Energie einer Masse entsprechend, dann würde man die doch zur
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Gravitation dazu zählen. Aber so ist es nicht. In der allgemeinen Relativitätstheorie
kann auch ein Druck-Term auftauchen, der ebenfalls einer Gravitation entspricht,
allerdings einer Antigravitation. Das steht so in der Gleichung. Wenn etwas in der
Gleichung steht, heißt das noch nicht, dass das auch wirklich existiert, aber jetzt
wissen wir, diesen Druck-Termin muss es geben, und niemand weiß, was es genau
ist.
Als unlängst das Higgs-Teilchen entdeckt wurde, hatte man zum ersten Mal einen
Hinweis auf die Form eines Wirkungsfeldes, nämlich dieses Higgs-Feldes, das
überall im Universum wirksam sein muss, weil es überall im Universum den
Elementarteilchen die Masse vermittelt. Es ist so eine Art kosmischer Honig, den es
überall gibt. Und so denken die Physiker, sowohl die Elementarteilchenphysiker wie
die Kosmologen, dass die dunkle Energie ebenfalls ein solches Feld sein muss, das
überall im Universum gleich ist und die Expansion antreibt. Nur da, wo die Gravitation
lokal stärker ist, bilden sich Verdichtungen aus. Und da, wo nichts ist, was dieser
dunklen Energie entgegenwirken kann, treibt die dunkle Energie das Universum
auseinander. Und der größte Teil des Universums ist eben leer. Und deswegen kann
diese Energie das Universum auseinandertreiben.
Wenn es so sein sollte, dann betreiben wir Quantenfeld-Theorie und könnten das
ausrechnen. Und jetzt wird es ganz unerfreulich: Wenn man das mit den bekannten
Quantenfeld-Theorien ausrechnet, welche Energiedichte, also Energie pro Volumen,
in der Energie stecken müsste, wenn die Quantenfeld-Theorien, die wir haben, richtig
wären, dann ist das Ergebnis 120 Größenordnungen zu hoch. Das ist eine 1 mit 120
Nullen. Also nochmal: Der Erwartungswert der bis jetzt bekannten Feldtheorien liegt
120 Größenordnungen über dem Wert, den wir heute beobachten, den wir meinen
beobachten zu können durch die Wirkung der beschleunigten Expansion des
Universums. Das ist ein Fehler! Das ist wirklich eine dunkle Seite der Astrophysik,
dass man etwas überhaupt nicht verstanden hat. Trotzdem hat man den Entdeckern
dieser dunklen Energie den Nobelpreis gegeben für die Entdeckung. Der Nobelpreis
für die Erklärung steht noch aus.
Teil 3, Donnerstag, 01.01.2015, 8.30 Uhr
*****
Zum Autor:
Harald Lesch lehrt theoretische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität
München; seine Forschungsschwerpunkte sind: Schwarze Löcher, Neutronensterne
und kosmische Plasmaphysik. Lesch ist Fachgutachter für Astrophysik bei der DFG
und Mitglied der astronomischen Gesellschaft. Im Juni 2005 wurde ihm von der DFG
der Communicator-Preis verliehen. Dieser persönliche Preis wird an
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben, die sich in hervorragender
Weise um die Vermittlung ihrer wissenschaftlichen Ergebnisse in die Öffentlichkeit
bemüht haben. Harald Lesch ist Moderator der ZDF-Fernsehsendung „Abenteuer
Forschung“.
Bücher (Auswahl):
- Urknall, Weltall und das Leben. (zus. Mit Josef M. Gaßner). Komplett-Media.
7
- Sterne – Wie das Licht in die Welt kommt. (zus. mit Jörn Müller). Goldmann-Verlag.
- Quantenmechanik für die Westentasche. Hörbuch. Legato-Verlag;
- Physik für die Westentasche. Legato-Verlag.
- Kosmo-Logisch. Vorlesungen von Harald Lesch. (3 DVDs). Komplett-Media.
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