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Ist
es nicht bemerkenswert, dass wir existieren: Menschen, Vögel,
Sonnenblumen und Fahrräder; dass das Universum so ungeheuer groß
ist und wir auf der Erde leben, unserem kleinen wunderschönen
und zerbrechlichen Planeten? Um uns herum existiert eine Fülle
von pflanzlichem und tierischem Leben. Schon ein kleines Stück
Land, nur so groß wie ein Garten, ist so reich an Pflanzen und
Tieren, dass ein Leben nicht ausreicht, um es in allen Einzelheiten
kennen zu lernen. Schaut man jedoch hinein in die Materie, auf ihre
winzigsten Details, dann treten ihre Bauelemente - kleine Körner,
die wir “Atome” nennen - in Erscheinung. Materie kann so
leblos sein wie ein Fahrrad, aber auch so lebendig wie eine Blaumeise
- dennoch gibt es nur eine begrenzte Zahl von verschiedenen Atomen,
vom leichtesten und kleinsten bis hin zum schwersten und größten,
die man überall im Universum, in den Sternen genauso wie auf der
Erde findet. Die Atome unserer eigenen Körper sind Teil des
Kosmos. Wir bestehen aus Sternenstaub.
Es ist eine alte Idee,
dass nur wenige Elemente ausreichen, ein ganzes Universum
zusammenzusetzen. Mit großer Wahrscheinlichkeit haben Menschen
aller Epochen nach einer vernünftigen Ordnung in der Welt
gesucht - denn wir müssen unseren Weg in dieser Welt finden, um
zu überleben. Zweifelsohne ist das Universum furchtbar groß,
aber wenn man weiß, dass alle Sterne entfernte Sonnen sind,
dann fällt es leichter einen Kosmos zu betrachten, der im Grunde
überall gleich ist. Alles, was wir um uns herum sehen können,
ist Energie in den unterschiedlichsten Gestalten. Sie kann von einer
Erscheinungsform in eine andere überführt werden (z.B. von
elektrischer Energie in Wärmeenergie), aber sie kann niemals
zerstört werden.
Manchmal ist es sinnvoll, sich die Atome als kleine Kugeln zu denken. Ein anderes mal mag es besser sein, sie sich als einen Mückenschwarm vorzustellen. Aber kein gedankliches Modell liefert ein vollständiges Bild davon, wie die innersten Teile der Materie wirklich aussehen. Trotzdem sind Modelle ein nützliches Werkzeug, wenn es darum geht, Experimente durchzuführen, um herauszufinden, was mit Atomen passiert, wenn sie z. B. mit Licht bestrahlt oder erhitzt werden. Dabei stellt sich heraus, dass der größte Teil des Atoms leer ist, es aber einen sehr kompakten Kern hat, der von leichtgewichtigen Elektronen umgeben ist.
Wissenschaftliche Modelle werden mit Hilfe von Zeichen und Symbolen dargestellt, die wir wiederzuerkennen und zu verwenden gelernt haben. Es mag ausreichen, eine Sache beim Namen zu nennen - beispielsweise “Energie”. In der Regel wissen andere für ein Gespräch letztlich gut genug, was wir damit meinen. Und in dieser Situation befinden wir uns meistens: Eine Menge Wissen, das wir haben, ist von praktischem Nutzen und in gewissem Sinne auch wahr. Aber die Dinge werden dann kompliziert, wenn wir die ganze Wahrheit ergründen wollen.
Was ist Energie? - Ein Kennzeichen für die Welt, das uns selbst und alles andere beinhaltet.
Man denke daran, wie eine Blaumeise mit einem Gewicht von 17 Gramm und so klein wie ein Daumen, es schafft, ihre Körpertemperatur bei 42 Grad zu halten, auch wenn draußen -30 Grad herrschen. Und das nur durch das Essen einiger Sonnenblumenkerne! Dadurch hat sie die Kraft zu zwitschern und zu fliegen. Wo kommt diese ganze Energie her? Sie entsteht durch Nahrung, die im Körper in Energie umgesetzt wird und damit das Zellwachstum unterstützt. Könnte man die Atome direkt beobachten, würde man sehen, wie sie Moleküle bilden. Diese zerfallen wieder in Atome, woraus sich in neuen Kombinationen wieder neue Moleküle bilden. Ähnlich läuft der Verdauungsprozess der Sonnenblumensamen im Magen der Blaumeise ab. Aber nicht alles ist essbar. Ständen die Sonnenblumenkerne und die Blaumeise nicht untereinander in enger Beziehung, wäre der Vogel nicht in der Lage sich davon zu ernähren. Wir hängen alle voneinander ab: Menschen, Vögel, Samenkörner... .
- Leben ist zu großartig, um nur aus Energie zu bestehen, mögen Sie an dieser Stelle denken.
Dies alles mag sich sehr schön anhören, aber das Wesen der Energie ist noch nicht vollkommen verstanden. Doch vertrauen wir darauf, dass wir wenigstens etwas vom Begriff “Energie” verstehen: Man kann sich schwach und müde fühlen und dann im nächsten Augenblick voller Energie stecken und für alles bereit sein. Gewöhnlich ist das eine Frage von gutem Essen, frischer Luft oder von etwas, das einen inspiriert - wie z.B. eine neue Liebe. Diese Energie muss irgendwo herkommen. Gleichwohl ist es manchmal schwer sich vorzustellen, wohin die Energie verschwunden ist, wenn man müde ist. Vielleicht war das Anspannen der Nackenmuskulatur zu viel... Aber wenn Energie frei wird, dann spürt man es im ganzen Körper, genauso wie einen das Lied eines Vogels berührt.
- “Warum singst du”, fragte ich die Blaumeise.
- “Weil ich bin”, antwortete sie.
- “Was bedeutet es, wenn du mit dem Singen aufhörst”, fragte ich.
- “Das bedeutet, ich bin ruhig und sitze da, um darüber nachzudenken, wie bemerkenswert es ist, dass ich bin.”
- “Du meinst, dass du isst”, sagte ich. Aber sie war schon zu einem kargen Wintermahl davongeflogen.
Es ist ein befriedigendes Gefühl, Abfall auf den Kompost zu werfen. Er wird sich erstaunlich schnell in gute Erde verwandeln. Dann kann etwas Neues wachsen. Es gibt noch andere Kreisläufe, beispielsweise den des Wassers, welcher sich kontinuierlich zwischen der Atmosphäre, den Ozeanen und den Kontinenten abspielt. Oder man betrachtet den Nachthimmel: Der Große Wagen und die anderen Konstellationen dort oben scheinen unveränderlich. Aber es gibt Ausnahmen von diesem langsamen Geschehen, dramatische Ereignisse wie explodierende Sterne und das Erscheinen vorher nie gesehener Kometen. Die himmlischen Körper sind nicht für die Ewigkeit erschaffen worden. In den gewaltigen Weiten der Galaxien wachsen neue Sterne aus Gas und Staub heran - Material, das alte Sterne hinterlassen haben.
Das Universum ist aus dem Nichts entstanden. Es war dicht und heiß, doch als es sich ausdehnte, kühlte es ab. Ganz am Anfang war die gesamte Energie in Form von Strahlung vorhanden, aber bald nahm ein Teil die Form von Materie an. Als das Universum in seinem heißesten Stadium war, entstanden die Protonen - die Kerne des Wasserstoffs - das einfachste und leichteste der Elemente. Aber schon nach einer 1/100 Sekunde war die Temperatur so sehr abgefallen, dass sich aus der Energie nur noch leichtere Teilchen, wie Elektronen, bilden konnten. Danach vergingen einige 100000 Jahre bis das Universum kühl genug war, so dass die Atomkerne Elektronen an sich binden konnten. In dieser Zeit wurde der Weltraum durchsichtig. Vorher konnte er das nicht gewesen sein, weil die Strahlung immer mit dem einen oder anderen frei im Weltraum herumschwirrenden Elektron zusammenstieß. Durch diese Zusammenstöße “vergaß” die Strahlung woher sie kam. Durchsichtigkeit bedeutete dagegen, dass die Strahlung nun ungestört durch den Raum reisen konnte und die Information darüber, was zum Zeitpunkt ihrer Entstehung passiert war, mit sich führte. Nach Milliarden von Jahren erreicht sie jetzt die Erde und wird als Kosmische Hintergrundstrahlung bezeichnet. Sie kommt aus allen Richtungen. Wir sind von allen Seiten von der Urexplosion, Urknall genannt, umgeben. Dieser fand hier und dort und überall im gesamten Weltraum statt. Und so finden wir uns wieder in Zeit und Raum, entstanden aus dem Nichts.
Aber wenn es so war, wenn das Universum einen Anfang hatte, wo gibt es dann in diesem Bild einen Kreislauf? Oder “spuckt” das Nichts von Zeit zu Zeit ein heißes Universum aus? Vielleicht gibt es ein Feuerwerk von anderen Universen, von denen wir nichts wissen, weil wir dazu verdammt sind, in einem dieser Universen gefangen zu sein. Es gibt viele Theorien zur Entstehung des Universums. Hat sie tatsächlich stattgefunden? Oder ist das, was wir Leere und den Beginn der Zeit nennen, nur ein Tropfen in einem viel größeren kosmischen Ozean, welchen wir noch nicht einmal begonnen haben uns vorzustellen? Wissenschaftler untersuchen den Weltraum und die Atome. Sie konstruieren Modelle für das, was vor vielen Milliarden Jahren passiert sein könnte. Die “Urknall-Theorie” ist ein erfolgreiches Modell zur Erklärung der Kosmischen Hintergrundstrahlung und der Tatsache, dass die leichtesten Elemente überall im Kosmos in gleichen Teilen auftreten. Aber die Naturwissenschaft kann uns nicht die vollkommene Wahrheit über die Natur liefern. Sie kann auch nicht die Aufgabe erfüllen, alles zu erklären und zu beschreiben, was es gibt.
Zurück zu den Sternen und dem Raum dazwischen. Sterne sind in jedem Fall eindrucksvolle Himmelskörper. Die Entfernungen zwischen ihnen sind enorm. Sie sind aber mit dem menschlichen Geist leichter zu erfassen als die Grenzen des Universums und des eigenen Verstandes, die wir eben versucht haben zu beschreiben.
Warum sollte sich dünnes ausgedehntes Gas jemals so sehr zusammenziehen, dass sich daraus Sterne bilden können? Beispielsweise könnte die Druckwelle eines explodierenden Sterns das Gas zusammendrücken. Dann würde die Dichte im Zentrum größer werden und noch mehr Gas würde einströmen und eine noch dichtere Wolke aufbauen. Dies wäre die Vorform eines oder sogar mehrerer Sterne, denn Sterne neigen dazu Haufen zu bilden. Einströmendes Gas verliert Energie, die irgendwo hin muss. Ein Teil der Energie strahlt hinaus in den Weltraum, der Rest heizt die Wolke auf. Schließlich ist es im Inneren richtig heiß. Je mehr Materie die Wolke umfasst, desto heißer wird sie. Spätestens bei 10 Mio. Grad erreichen die Protonen eine so hohe Geschwindigkeit, dass sie zu Helium verschmelzen, dem zweitleichtesten Element. Bei diesem Prozess wird Energie frei, die an die Materie gebunden war, und kann den Stern als Strahlung verlassen. Da der Stern sehr viel Wasserstoff enthält, kann dieser Fusionsprozess mehrere Milliarden Jahre dauern. Die massereichsten Sterne mit dem größten Vorrat an Wasserstoff verbrauchen ihn aber in einer viel kürzeren Zeit. Dafür ist ihr Glanz aber sehr intensiv: Es gibt Sterne, die millionenmal so viel Energie in den Weltraum abstrahlen wie unsere Sonne.
Das Element Helium wurde ebenfalls beim Urknall geschaffen und es entsteht nach wie vor im Inneren der Sterne. Allmählich wird mehr und mehr Helium im Zentrum des Sterns gebildet. Schließlich wird es so dicht und heiß, dass sich die Heliumkerne zu Kohlenstoff und Sauerstoff verbinden. Dann hat sich der Stern zu einem Roten Riesen entwickelt. Insgesamt hat sich im Inneren des Sterns seit seiner Geburt sehr viel verändert und das hat Folgen. Um sein Gleichgewicht zu halten und nicht unter seinem eigenen Gewicht zu kollabieren, hat der Rote Riese einen sehr dichten Kern, umgeben von einer ausgedehnten dünnen und relativ kühlen Gashülle.
Riesen sind alte Sterne, sie haben schon den Großteil ihres Brennstoffs verbraucht. Die massereichsten unter ihnen sind in der Lage auch schwerere Elemente als Kohlen- und Sauerstoff zu erzeugen. Sie bilden Neon, Silizium, Schwefel oder Eisen. Während ihrer Phase als Riese geben sie kontinuierlich Gas aus ihrer Hülle an die Umgebung ab. Dieser Verlust zusammen mit der Erschöpfung der Energiequellen bringen den Riesen in eine instabile Phase. Dabei bläst er Schalen von Gas in den Weltraum, während die inneren Bereiche kollabieren. Am Ende bleibt im Zentrum eine kompakte heiße Kugel von einigen tausend Kilometern Durchmesser übrig, die aber so schwer sein kann wie unsere Sonne. Ein Weißer Zwerg ist entstanden, der nichts weiteres mehr tut, als langsam auszukühlen. Links in der Mitte ist ein solcher Weißer Zwerg, zu sehen. Die schwersten Sterne durchlaufen allerdings eine sehr viel dramatischere instabile Phase und explodieren dann in einer Supernova. In diesem Fall setzt der kollabierende Stern eine starke Stoßwelle frei, die die äußeren Teile des Sterns in Stücke reißt. Im Zentrum bleibt ein noch dichterer Rest übrig, ein Neutronenstern von einigen zehn Kilometern Durchmesser oder auch ein Schwarzes Loch. Es gibt einige Elemente, die nicht im heißen Inneren der Sterne entstehen können. Unter ihnen sind Silber und Gold, Elemente, die schwerer als Eisen sind. Eisen hat die seltsame Eigenschaft, dass durch das Hinzufügen weiterer Atomkerne keine Energie mehr frei wird. Im Gegenteil, Energie muss hinzugefügt werden. Es zeigt sich, dass Supernova-Explosionen die Quellen für diese zusätzlichen Energiemengen sind. Ein Teil dieser riesigen, dabei freigesetzten Energie wird zum Aufbau jener Elemente schwerer als Eisen verwendet.
Und so kehrt das Gas der Sterne zurück in den Weltraum, angereichert mit schweren Elementen. Dieses Gas wird in Hüllen planetarischer Nebel und als Supernova-Überreste sichtbar. Nach Tausenden von Jahren hat sich das Gas zerstreut und es verschwindet in den Tiefen des Universums. Irgendwo im Weltraum kann es mit einer anderen Gaswolke kollidieren, und eine neue Runde im kosmischen Kreislauf beginnt.
Irgendwo
auf einer Straße steht ein Lebewesen, dessen Bestandteile in
der kosmischen Mühle hergestellt worden sind. Direkt neben ihm
steht ein Fahrrad, etwas verrostet, weil das Eisen mit Sauerstoff und
Wasserstoff reagiert hat:
- “Liebes altes Fahrrad”, sagte ich. “Hier sind wir jetzt, du und ich. Bist du nicht vom Universum beeindruckt, das sich so große Mühe macht, nur um ein wenig Eisen herzustellen?”
- “Mühe, in der Tat”, murmelte das Fahrrad. “Sich diese steinigen Wege entlang zu kämpfen, das nenne ich Mühe. Dem Universum ist das völlig egal, da bin ich sicher. Und was interessiert dich schon das Eisen? Du bestehst doch hauptsächlich aus Wasser.”
- “Ich brauche 10 Milligramm pro Tag”, sagte ich. “Das Eisen im Blut ist lebenswichtig. Es ist im Hämoglobin zu finden, welches den Sauerstoff aus der Lunge zu jedem Teil des Körpers bringt. Und das Eisen wird in den Muskeln gebraucht und für meinen Metabolismus und...”
- “Ja, ja, ist schon gut, es ist einfacher im Regen zu stehen und zu rosten.”
Es sind nicht viele verschiedene Sorten von Atomen notwendig, um unsere Körper zu bilden: Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und ein paar andere. Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich zu Wasser, dass zum Leben notwendig ist. Wenn jemand Wasser auf einem anderen Himmelskörper als der Erde entdeckt, wachsen sofort die Hoffnungen, dass man dort auch Spuren von Leben finden könnte. Alles was nötig ist, ist Wasser und eine Energiequelle. Nicht alle lebenden Organismen brauchen Sauerstoff und die Energiequelle muss nicht unbedingt die Sonne sein. Einige Kilometer unter der Erdoberfläche gibt es Mikroorganismen, die sich von Wasserstoff ernähren. Sie könnten die ältesten Lebensformen auf der Erde sein und haben möglicherweise Verwandte unter der Marsoberfläche.
Vor über 100 Jahren, als man entdeckte, dass überall im Kosmos die gleichen Elemente vorkommen, wuchsen die Hoffnungen, extraterrestrisches Leben zu finden. Beobachter arbeiteten an ihren Teleskopen, bis ihnen die Augen schmerzten, um herauszufinden, ob es auf dem Mars wirklich künstlich angelegte Kanäle gab. Als die Beweise allerdings ausblieben und die Theorie von intelligenten Marsmenschen aufgegeben werden musste, nahm das Interesse ab. Die Vorstellung aber von Welten mit außerirdischem Leben ist alt. Von Zeit zu Zeit wurden diese Überlegungen von der Überzeugung verdrängt, dass die Erde und die Menschheit einmalig im Universum sind. Aber die Idee von anderen belebten Welten findet immer wieder Eingang in unsere Phantasie genauso wie in das rationale Denken.
Solange wir auf unseren Nachbarplaneten im Sonnensystem nach Leben suchen, können wir hoffen herauszufinden, ob es dort irgendwelche lebenden Organismen gibt oder einmal gab. Wenden wir uns anderen Sternen zu und schauen hinein in die Milchstraße, unsere gewaltige Heimatgalaxie, geraten wir in Kommunikationsschwierigkeiten: Die enormen Entfernungen sind ein wirksames Hindernis zum Aufbau eines Kontaktes. Von unserer Position aus können wir junge Sterne sehen, die von scheibenförmigen Wolken aus Gas und Staub umgeben sind. Möglicherweise sind dies die Orte, wo Planeten gebildet werden. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Planeten bei anderen Sternen entdeckt. So ein Planet macht sich durch einen winzigen Effekt bemerkbar: er lässt seine Sonne auf ihrem Weg durch den Weltraum etwas schwanken. Es ist heutzutage möglich, daraus die Masse eines Planeten und seine Entfernung zu seiner Sonne zu berechnen. Da die Planeten aber so weit entfernt und außerdem klein und lichtschwach sind, gibt es noch keine Bilder von ihnen.
Die Erde, unser kleines “Raumschiff”, existiert seit einigen Milliarden Jahren. Sie wurde von Asteroiden und Kometen getroffen, ist aber nicht in Stücke zerbrochen. Das Leben konnte sich entwickeln, obwohl es nicht unwahrscheinlich ist, dass es während der stürmischen Jugend des Planetensystems mehr als einmal neu begonnen hat. Es gibt auf der Erde viele Menschen mit ihren Bedürfnissen und Forderungen. Es ist unwahrscheinlich, dass wir die Erdkruste “abnutzen”, aber die dünne, bewohnbare Schale ist zerbrechlich. Das Meer, die Luft, die Wälder, die Wiesen, die Felder, die Seen, die Flüsse...
- “Oh, alles ist so riesig und schrecklich”, piepste die Blaumeise. “Wenn ich zu hoch fliege, könnte ich in den Weltraum gesogen werden und wie ein Stein ins leere Nichts fallen, den ganzen Weg bis zu einer anderen Galaxie.”
- “Ich verstehe”, sagte ich, “und wie lange glaubst du, wird es dauern, bis du in die Galaxie stürzt?”
- “Überhaupt keine Zeit”, sagt die Blaumeise. “Das ist ja das Schreckliche daran.”
Die Schwerkraft wirkt zwischen allen materiellen Körpern und bestimmt ihre Bewegungen. Die Anziehungskraft der Sonne hält die Planeten auf fast kreisförmigen Umlaufbahnen. Das gesamte Sonnensystem bewegt sich um das Zentrum der Milchstraße herum. Galaxien bilden Gruppen, deren Mitglieder einander umkreisen. Es ist in der Tat schwierig, sich etwas im Weltraum vorzustellen, das still steht. Ein Satellit, der immer über demselben Punkt der Erdoberfläche zu sehen ist, scheint still zu stehen. Aber natürlich durchläuft er jeden Tag einmal seine Bahn vollständig und hält so mit der Erddrehung Schritt.
Was ist oben und was ist unten? Für einige Zeit im Weltraum schwerelos zu sein, ist nicht gesund für ein irdisches Wesen. Wir sind dafür geschaffen, im Schwerefeld der Erde zu leben. Einen Planeten unter den Füßen zu haben, ist auf lange Sicht die einzig vernünftige Sache.
Es gibt auch elektrische und magnetische Kräfte, die auf elektrische Ladungen wirken. Lampen, Ventilatoren und Computer funktionieren dadurch und sind Teil des täglichen Lebens. Wir können sie benutzen, ohne uns mit der Natur der sie antreibenden Kräfte auseinander zusetzen. Es ist aber möglich, Experimente durchzuführen, die die dahinter stehenden Vorgänge im Inneren der Atome und Moleküle sichtbar machen.
Das Licht einer Lampe sagt, dass die Anordnung der äußeren Elektronen von Atomen gestört worden ist. Dabei verlieren die Atome etwas Energie, die sich in Form des abgestrahlten Lichts zeigt. Ist die Störung sehr stark - etwa durch Stöße zwischen den Atomen - können Elektronen sogar aus den Atomen herausgeschlagen werden. Dann treten die elektrischen Eigenschaften der Materie zutage, wie z.B. dass es zwei Arten von Ladungen gibt, positive und negative.
Ein Eisenatom mit 26 Elektronen kann Energiepäckchen verschiedener Größe freisetzen, aber sie sind alle typisch für Eisen und für kein anderes Element. Moleküle, die aus zwei oder mehreren Atomen bestehen, zeigen eine große Vielfalt von Energiestufen, aber jedes Molekül hat sein eigenes charakteristisches Energiespektrum. Ein Molekül kann durch einfallende Energie angeregt werden. Wenn es zurück in einen ruhigeren Zustand übergeht, wird diese Energie wieder frei und enthüllt dessen Identität. Genauso wie es möglich ist, eine Person an der Stimme wiederzuerkennen ohne zu wissen, wie sie aussieht, kann auch ein Atom oder ein Molekül wiedererkannt werden, wenn es mit seiner “Stimme” spricht, eben jenem spezifischen Spektrum von Energien, die es aufnehmen und wieder abgeben kann.
In Atomkernen wirkt die starke Kraft, die Protonen und Neutronen zusammenhält, und die schwache Kraft, die beim radioaktiven Zerfall auftritt. Es stellt sich jetzt die Frage, ob all diese Kräfte nicht nur verschiedene Erscheinungsformen einer einzigen Grundkraft sind. Es wäre doch schön, wenn das Universum uns eine klare und einfache Gestalt, eine schöne Ordnung der Dinge offenbaren würde. Wäre es nicht möglich, dass die Gravitation, die über so große Distanzen im Weltraum wirkt, auf die eine oder andere Weise mit den nur in den Atomen auftretenden Kräften verwandt ist? In der Tat könnten in der enormen Hitze kurz nach dem Urknall alle auf die Materie wirkenden Kräfte vereint gewesen sein. Aber Experimente zum Beweis dieser These, erfordern so viel Energie, dass sie auf der Erde nicht durchführbar sind.
Aber was ist denn nun eine Kraft? Ist es etwas, das zieht oder drückt? Kann man sagen, dass Kraft ein Zeichen für die Anwesenheit von Energie ist? Es gibt andere mögliche Beschreibungen, beispielsweise “Kraft als Wirkung eines Feldes” oder “Kraft als Austausch von Teilchen zwischen Teilchen”. Es ist jedoch Vorsicht geboten: Wir betrachten nur Modelle. Es gibt immer das Risiko, an einem alten, bequemen Modell festzuhalten, obwohl es die Realitäten nicht mehr ordentlich beschreibt. Im Laufe der Geschichte war es immer wieder notwendig, neue Modelle zu erdenken, weil die Zeit über die alten hinweggegangen war. Und es ist davon auszugehen, dass dies so weiter gehen wird.
- “Ich würde gerne wissen, was Energie wirklich ist.”, sagte ich und fühlte mich sehr schlau. Die Blaumeise, die sonst zu allem etwas zu sagen hatte, war zur Abwechslung einmal still. “Ich meine”, sagte ich, “man sollte in der Lage sein, in einem Schaukasten etwas Energie auszustellen, dann könnte man wirklich sehen, wie Energie aussieht.”
- “Eingesperrt und elend!”, sagte die Blaumeise, “Sie würde Federn verlieren, keinen Appetit mehr haben und bald sterben.”
Ein Spektrograph ist ein Gerät, das Strahlung in ihre energetischen Bestandteile zerlegen kann. Schickt man das Licht einer Quecksilberlampe durch einen Spektrographen, zeigen sich Spektrallinien, die den spezifischen Energiestufen des Quecksilbers entsprechen. Das sichtbare Licht ist nur ein kleiner Teil der gesamten Strahlung. Ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung sind energiereicher als das sichtbare Licht. Infrarot- und Radiostrahlen sind hingegen energieärmer. Strahlung hat immer etwas von ihrer Quelle zu berichten. Sie gibt Auskunft darüber, welche Elemente vorhanden sind und verrät die Temperatur: Ein blauweißer Stern hat eine heißere Oberfläche als ein roter Stern, der Unterschied kann viele Tausend Grad betragen.
Im Weltraum sind die Entfernungen unvorstellbar groß. Es gibt fast leere Bereiche, die nur eine sehr geringe Dichte haben und sehr kalt sind, aber es gibt auch Bereiche mit hoher Dichte und extrem hohen Temperaturen. Und auch wenn das Alter der Sterne in Milliarden Jahren gezählt wird, so gibt es dennoch explosive Ereignisse, die nur wenige Tage, Stunden oder gar nur Sekunden andauern. Im kosmischen Kreislauf findet man alle diese Extreme und Variationen. Am abendlichen Winterhimmel kann man Orion mit seinen hellen Sternen in verschiedenen Farben und unterschiedlichen Entwicklungsstadien sehen. Wenn unsere Augen Licht niedrigerer Energie sehen könnten, würden wir den Himmel hell glühen sehen von Infrarot- und Radiostrahlen aus den Wolken, in denen gerade entstehende Sterne noch in ihren staubigen Hüllen stecken. Oder wenn wir “Röntgenaugen” hätten, könnten wir viel energiereicheres als das gewohnte sichtbare Licht wahrnehmen. In diesem Fall müssten wir uns jedoch außerhalb der Atmosphäre befinden, um etwas zu erkennen, denn die uns umgebende Erdatmosphäre lässt derartige Strahlung nicht durch. Gleiches gilt auch für den größten Teil der Infrarotstrahlung. Die Atmosphäre der Erde ist ein lebenswichtiger Schutz. Wenn Strahlung mit hoher Energie auf eine lebende Zelle trifft, werden die Moleküle angegriffen und die Zelle zerstört. Dennoch hat Strahlung, mit Vorsicht eingesetzt, ihren Platz in der Medizin. Als potentielle Weltraumfahrer der Zukunft aber sollten wir uns dieser Gefahren stets bewusst sein.
Teleskope müssen Ihrer speziellen Aufgabe angepasst werden. Sichtbares Licht kann mit dem Auge oder einer CCD-Kamera gesehen werden, oder es kann photographiert werden, wie es seit über 100 Jahren geschieht. Andere Energien erfordern andere Arten von Detektoren. Wir sind begrenzt im Rahmen unserer Sinne, unseres Verstandes und der Modelle, die wir zur Veranschaulichung benutzen. Die Methoden und Werkzeuge wechseln zwar, aber es gibt grundlegende Charaktermerkmale der Wissenschaft: Sie produziert Ergebnisse, die durch weitere Forschung verifiziert werden können. Sie bleibt offen für Kritik. Etwas, das vernünftig erscheint, muss später unter Umständen verändert oder vollkommen ersetzt werden. Ein wissenschaftliches Konstrukt von Ideen kann geprüft, ausgebaut, verworfen oder verstärkt werden.
- “Wie weise du bist”, sagte die Blaumeise und neigte ihren kleinen, hübschen Kopf zur Seite. “Wie beruhigend zu wissen, dass man der Wahrheit im Lauf der Zeit immer näher kommt, wenn man nur sorgfältig genug forscht.”
- “Nun ja...”, sagte ich.
- “Ich weiß, was Du meinst”, sagte die Blaumeise. “Gefahren und Dummheiten und all das. Katzen zum Beispiel; die denken, sie haben immer recht. Und was ist? Nur Ärger hat man mit ihnen! Besonders mit Katzen!”
Man sagt, dass die Menschen der Frühzeit sich das Universum viel kleiner vorstellten, als wir es heute tun. Allerdings ist es schwer zu sagen, wie das Leben in früheren Zeiten wirklich war. Sehr wahrscheinlich hat zu allen Zeiten die Vorstellungskraft der Menschen nicht ausgereicht, die tatsächliche Größe der Welt zu erfassen, und dann ist es auch nicht wichtig, ob man sie in Tausenden von Kilometern oder in Millionen von Lichtjahren misst. Auf jeden Fall ist das Universum größer als alles, was wir uns vorstellen können. Was aber möglich ist, ist die Bewegungen der Himmelskörper zu verstehen: Die Bahnen der Sonne, des Mondes und der Planeten vor dem Hintergrund der Sterne können verfolgt und erklärt werden. So liefert der Himmel ein Maß für die Zeit und das mit einer solchen Beharrlichkeit, dass jeder Versuch ihr Wesen zu begreifen, zu einer Diskussion über die richtige Messung der Zeit wird. Man kann dazu die Höhe der Sonne über dem Horizont bestimmen, man kann beobachten, wie sich Himmelskörper begegnen, sich gegenseitig bedecken oder auffällige Konstellationen bilden. Die älteste Astronomie, die wir kennen, befasste sich denn auch hauptsächlich mit der Zeitrechnung. Das Muster der Sterne am Nachthimmel zeigt uns unseren Platz in der kosmischen Ordnung.
In den alten Kulturen an den großen Flüssen Euphrat, Tigris und Nil waren die Menschen auf den Kalender angewiesen, um ihre Landwirtschaft auf das jährliche Hochwasser der Flüsse einzustellen. Und so waren ihre Götter im Himmel angesiedelt. Daraus entstand die Astrologie als ein Mittel, die Verbindungen zwischen Mensch und Kosmos zu erklären. Ursprünglich war die Astrologie sowohl christlichem als auch jüdischem Glauben fremd, aber sie kam während des 12. Jahrhunderts mit den arabischen Einflüssen nach Europa, und bis ins 17. Jahrhundert hinein teilt sie ihre Geschichte mit der Astronomie. Die enge Beziehung zwischen Mensch und Kosmos wurde zuweilen sehr direkt verstanden: Zum Beispiel sollten die verschiedenen Körperorgane mit bestimmten Planeten in Verbindung stehen. Krankheiten und ihre Heilung waren demnach von den Positionen der Planeten am Himmel abhängig. Solche vermeintlich offensichtlichen Verbindungen zwischen dem Leben auf der Erde und dem Himmel zerbrachen mit dem Beginn des Zeitalters der Aufklärung. Danach gab es keinen Rückweg mehr, der Standort des Menschen in der kosmischen Ordnung musste neu bestimmt werden. Die Suche nach Wissen ist häufig mit dem Kampf um Macht in den verschiedensten Varianten in Konflikt geraten. Neues Wissen kann zweifelsohne auf viele Arten Anwendung finden. Sollte das Teleskop auf das Sternengewimmel der Milchstraße gerichtet werden und uns auf unseren Platz im Universum aufmerksam machen, oder sollte es auf den Boden schauen und uns zeigen, ob sich ein Feind nähert und uns bedroht?
Nun sind wir auf dem Weg zum Paranal, einem Berg in Chile, auf dem ein neues Observatorium entsteht - das “Very Large Telescope” (VLT), also ein sehr großes Teleskop. Aber Größe allein ist nicht alles. Der Standort des Teleskops ist entscheidend. Die Luft muss klar und ruhig sein, man muss also nach den in dieser Hinsicht besten Stellen auf der ganzen Erde suchen. Das bedeutet, wie in diesem Fall, unangenehme, bergige Gebiete mit Wüstenklima. Neue Technologie ist ebenso wichtig: Die Spiegel der vier Teleskope des VLT sind leichter als bei älteren Instrumenten, und ihre reflektierende Oberfläche kann ständig überwacht werden. Außerdem erlaubt die Konstruktion der gesamten Anlage eine Zusammenarbeit der Teleskope so, als ob sie ein einziges riesiges Teleskop wären.
Es ist ein weiter Weg zum Paranal: Als Hypathia in Alexandria lehrte, ging das Zeitalter des klassischen Lernens fast zu Ende. Es war das vierte Jahrhundert und das römische Weltreich versank allmählich in der Bedeutungslosigkeit. Noch bis zum Beginn des 17. Jahrhunderts blieb das, was für das bloße Auge zu schwach leuchtet, unsichtbar. Erst durch Galileis Erfindung des Linsenfernrohrs öffneten sich die Tiefen des Weltraums. Die ersten Teleskope waren sehr instabil und schwierig zu handhaben. Doch in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts konstruierte William Herschel Spiegelteleskope, von deren Größe und Qualität bis dahin nur geträumt werden konnte - und er macht sich daran, die Tiefen des Weltraums zu ergründen. Er soll gesagt haben, er “tauche” nach Sternen. Dort steht er wie der Kapitän eines Raumschiffs im Garten an der Themse und gibt Anweisungen an seine Mannschaft, besonders an seine Schwester Caroline. Zusammen finden sie bisher nicht entdeckte Nebel und zählen lichtschwache Sterne, die doch so zahllos zu sein scheinen.
Hundert Jahre später setzt man Spektrographen an Teleskopen ein und entdeckt, dass die Sterne Eisen, Silizium, Wasserstoff und eine Reihe anderer Elemente enthalten, die wir auch auf der Erde finden. Was für ein Glück ist es doch, dass wir etwas über unsere Herkunft sagen können!
- “Heute wissen wir eine ganze Menge”, sagte die Blaumeise. “Vielleicht genug.”
- “Wusstest du”, sagte ich, “dass das Universum möglicherweise mit etwas vollgestopft ist, das wir nicht kennen und das nicht strahlt und sich nur durch seine Anziehungskraft bemerkbar macht? Man nennt es Dunkle Materie.”
- “Geister in der Dunkelheit und Katzen in der Nacht”, sagte die Blaumeise. “Irgendwas ist immer da! Und was wird jetzt aus dem Universum?”
- “Keine Ahnung”, sagte ich. “Irgendetwas wird schon passieren.”
Schon vor langer Zeit sahen Seefahrer Schiffe am Horizont auftauchen oder verschwinden und konnten daraus erschließen, dass die Erde eine Kugel sein muss. Menschen in früheren Zeiten waren nicht weniger intelligent als heute und der gestirnte Himmel war damals nicht von künstlichem Licht überflutet. Wir haben das Wissen und die Erfahrung unserer Vorfahren übernommen, das Weltbild weiterentwickelt und dadurch verändert. Was ist ein Weltbild? Eine Idee vom großen Ganzen, von seiner Einheit und seinen Regeln. Notwendigerweise ist aber das Bild niemals vollkommen. Wenn es harmonisch und schön aussieht, so ist dies ein Grund misstrauisch zu sein: Wo liegen die Fehler? In Dantes “Göttlicher Komödie” vom Anfang des 14. Jahrhunderts treffen wir auf eine dramatische Welt voller Kontraste: die Freuden des Himmels und die Qualen der Hölle gewürzt mit einer unumgänglichen, grausamen Ewigkeit. Aber Regeln und Gerechtigkeit setzen sich durch und man kann darauf vertrauen, dass Gott die Geschicke der mittelalterlichen Welt unter Kontrolle hat. Sie ist hierarchisch strukturiert und man ist einfach überwältigt von der wunderschönen Konstruktion. Aber es ist ein Bild des Kampfes zwischen Gut und Böse, zwischen Glaube und Wissen, zwischen der Kirche und der heidnischen Natur. Die Erde steht im Zentrum, umgeben von den Himmelskörpern. Die sterbliche Welt besteht aus den vier Elementen: Erde, Wasser, Feuer und Luft, so wie Aristoteles es beschrieben hat. Das fünfte Element, die “Quintessenz”, ist himmlisch, immerwährend und unveränderlich. Und nun trifft die heidnische, griechische Philosophie auf das Christentum. Der mittelalterliche Mensch ist zwischen Himmel und Erde hin- und hergerissen: Seine Seele richtet sich zu Gott, während der Körper zur Erde gehört und im Erdinneren der Teufel herrscht.
Die wissenschaftliche Revolution, die der Welt ein neues Zentrum, die Sonne, gab, war ein Prozess, der mindestens 150 Jahre andauerte: Es begann 1543 mit Kopernikus' neuem Modell des Sonnensystems und hielt bis 1687 an, als Newton zeigte, dass Planeten und herunterfallende Äpfel den gleichen mechanischen Gesetzen unterliegen.
Das mechanistische Bild der Welt des neuen Zeitalters kann man als kalt bezeichnen, technischer als das mittelalterliche, nicht so sehr mit Gott, dem Menschen und den Tieren verwoben. Trotzdem ist das Bild immer noch schön anzuschauen. Es ist eine große Freude, zu sehen, was für eine wunderbare Uhr der Schöpfer geschaffen hat. Die Planeten geben mit ihrem Lauf vor dem Hintergrund aus Sternen den Takt an. Sicher haben die Sterne eine gottgegebene Anordnung, auch wenn diese sich von unserer bescheidenen Position im Universum aus nicht so einfach erschließt. Aber die Sterne sind weit entfernt und schwierig zu erforschen. Deshalb ist der Begriff “Universum” in dieser Zeit noch synonym für das Planetensystem. Die Suche nach den Gesetzmäßigkeiten, die die Sterne regieren, beginnt im 18. Jahrhundert und geht bis in unsere Zeit. Bis in die 20er Jahre wusste man nicht, dass die Sonne mit ihren Planeten ihre Position im Außenbereich der großen Milchstraße einnimmt und entfernte Galaxien um die Milchstraße herum existieren. Es ist immer noch eine mechanische Welt, die von der Gravitation regiert wird. Inzwischen jedoch ist die sehr große Welt auch mit der ganz kleinen, der Welt der Atome, verbunden. Und so muss das Bild vom trostlosen Universum einer neuen Erkenntnis weichen: Wir bestehen aus Sternenstaub.
Die moderne Welt ist unglaublich groß, aber sie beinhaltet nichts Neues. Der Traum von Ordnung, Schönheit und Einfachheit ist so stark wie seit jeher. Wir entwerfen Modelle, die mehr oder weniger mit den Entdeckungen, Beobachtungen und Experimenten übereinstimmen. Wir geben den kleinsten Bausteinen der Materie Namen, aber wir verlangen nicht, dass wir sie in unserem täglichen Leben bemerken. Vielleicht sollten wir etwas, das keine Form hat, gar nicht als Baustein bezeichnen. Worte und Bilder sind trügerisch und manchmal zu oberflächlich: Das Atom ist eine kleine Kugel. Die Erde ebenso. Und was ist dann das Leben? Die richtigen Atome zu mischen, reicht nicht aus, um die Sonnenblume zum Blühen zu bringen.
- “Stell dir ein Ei vor”, sagte die Blaumeise, als wir über das Universum sprachen.
- “Du sprichst von der Eierschale”, sagte ich herablassend.
Aber das allein war es nicht, was sie damit sagen wollte. Sie meinte die verblüffende Schönheit des Eis und dass es so einfach zu verstehen sei.
- “Ich bin sicher, du verstehst es nicht”, sagte ich.
- “Ja, vielleicht nicht”, sagte die Blaumeise. “Aber ein bisschen doch.”