Lebend!leben

Mikrokosmos

INHALT:

Einführung – Die Explosion – Teilchen oder Leere – Das Atom – Schlußfolgerung

 

Einführung

Die Stiftung Lebend!Leben macht unter anderem auf Anders-Denken aufmerksam, mit dem wir in der Lage sind, den Kosmos, die Natur, andere Menschen und uns selbst so zu sagen von innen heraus zu betrachten. Durch diese Praxis wird unsere Anschauung vom täglichen Leben sich total verändern. Dieser Umkehrung des Denkens kann man sich auf verschiedene Weise nähern. Eine davon ist die Erforschung – mikrokosmisch oder makrokosmisch – des Wesens, der Struktur und Funktionsweise des Bestehenden.

Ein makrokosmischer Ansatz geht von dem kosmischen Funktionieren im ausgedehnten Raum aus. Die mikrokosmische Betrachtung beruht auf dem Verhalten von Elementarkräften und Teilchen, woraus sich die Atome gebildet haben. Damit wir uns hiervon einigermaßen einen Begriff machen können, kommen wir nicht darum hin, zuerst über das Entstehen des Weltalls nachzudenken. Obwohl das Wissen hierüber noch marginal ist (und einstweilen bleibt), sind die meisten Physiker und Astronomen sich inzwischen hinsichtlich der berühmten Urknall-Hypothese einig. Nach einer etwa hundertjährigen Diskussion erlangte diese am Ende des 20sten Jahrhunderts mehr oder weniger Übereinstimmung.

Mit dem Urknall (oder Big Bang) könnte unser Universum vor etwa 15 Milliarden Jahren entstanden sein, wahrscheinlich durch die Explosion eines Riesensterns oder eines sogenannten ’schwarzen Loches’, in dem alle Materie unter riesigem Druck konzentriert war. Überflüssig zu sagen, dass anfänglich die Rede war von unvorstellbar großer Dichte und hohen Temperaturen. Mit dieser Explosion begann die Ausdehnung des Weltalls, alles entfernte sich immer mehr voneinander und tatsächlich ist dieser Prozess seitdem ohne Unterbrechung im Gange. Nichts kann oder muss es beenden. Es ist eine universelle Kraft, die stets alles entstehen und vergehen lässt.

Letzteres bleibt unvermindert bestehen, wenn wir der Hypothese von einigen anderen Wissenschaftlern folgen, die nicht von der Einmaligkeit des Urknalls überzeugt sind. Wie sich alles in der Natur als ein fortwährender Strom von Entstehen und Vergehen, von Geburt und Sterben zeigt, so würde auch das Universum nach längerer Expansion wieder ein Ende finden. Hierzu entwickelte man das Modell mehrerer Universen, die in einem mehrdimensionalen Raum unabhängig von einander expandieren. Ein solches vierdimensionales Universum (Raum-Zeit-Kontinuum) nennt man auch 4-Bran, weil es – wie eine Membran – schwingen, sich falten kann u.s.w.

Zwei 4-Branen können sich -immer expandierend- nahe beieinander sein und doch nicht aufeinander einwirken. Der Abstand zwischen zwei dieser Universen kann kleiner als die Größe eines Atomkerns sein. Aber die Ausdehnung einer Bran nähert sich schließlich einem Limit, wobei so ein Universum unvorstellbar verdünnt wird. Die 4-Brane können sich dann weiter aufeinander zubewegen, einander anziehen, auffalten (wodurch Dichteschwankungen entstehen) und schließlich kollidieren. Auch in diesem Fall ist von einer Explosion die Rede. Hierdurch würden sich die 4-Brane dann wieder voneinander entfernen und ein neuer Expansionszyklus beginnt.

Die Dichteschwankungen des Faltprozesses -auch verantwortlich für die lokale Kollision- könnten mehr oder weniger heiße Regionen in dem Feuerball der Explosion verursacht haben. Die hängt mit einem einzigartigen Phänomen zusammen, das wir immer noch beobachten können: die sogenannte kosmische Hintergrundstrahlung. Einige bezeichnen sie als ’Nachglühen des Urknalls’. Diese Hintergrundstrahlung ist eine interessante Quelle für Informationen. Mit Hilfe von Satelliten haben Wissenschaftler in der Tat kleine Temperaturunterschiede messen können. Eine solche Entdeckung könnte uns nun erklären, dass in der Anfangszeit des Universums noch große Unterschiede in der Konzentration bzw. in der Dichte (Anzahl der Teilchen pro Einheit im Raum) der Materie bestanden.

Der folgende Text ’Die Explosion’ behandelt unter anderem die sogenannte kosmische Inflation, die unmittelbar nach dem Urknall unser Weltall entstehen ließ. Aller Wahrscheinlichkeit nach waren die erwähnten Dichte-Unterschiede das Ergebnis von winzigen Quantenbewegungen (wird später erklärt) kurz vor der kosmischen Inflation. Diese Minischocks wären dann unter dem Einfluss der gigantischen Expansion, die darauf folgte, in einem Bruchteil der Zeit in die zahlreichen Konzentrationen von Teilchen vergrößert worden. Und genau hieraus hätten sich dann später die Sternensystem und Galaxien des neue Universums entwickelt.

 

Die Explosion

Eine Kombination beider Thesen ist denkbar: ’Der Urknall’ -als Beginn unseres Universums- kann sowohl das einzige Urgeschehen als auch das zuletzt aufgetretene Kollisionsphänomen gewesen sein. Gleich welche Hypothese wir auch wählen -ob es um eine einmalige oder sich wiederholende Entstehung handelt- immer ist die Rede von einer Explosion. Diese wurde entweder von einem ’Schwarzen Loch’ oder von ’kollidierende Universen’ verursacht. Das Ergebnis ist jedenfalls identisch: eine Explosion mit einer gewaltigen Menge ausströmender Energie. Diese Energie bleibt während des gesamten Expansionszyklus eines Universums wirksam. Es geht darum, uns der alle Zeit bestehende (und alles Bestehende durchdringende) universellen Kraft bewusst zu sein.

Alles in allem können wir es einfach weiterhin ’den Urknall’ nennen. Zunächst müssen wir uns vor allem ein genaues Bild von einem solchen Urknall machen. Viele stellen sich dabei ein zentrales Ereignis ’irgendwo in der Mitte des Raums’ vor. Es war jedoch nie die Rede von einem Zentrum, in dem die Explosion konzentriert war und von dem aus ’Brocken’ in alle Richtungen flogen. Die Ur-Explosion fand überall im Raum gleichzeitig statt. Außerdem entstand unser Weltall nicht ’in einem leeren Raum’ und dehnt sich nicht darin aus. Das Universum selbst ist der Raum und in diesem Raum nehmen die Abstände fortwährend zu. Ungeachtet davon, wo wir uns im Weltall befinden: von jedem Punkt aus würden wir die Sternensysteme sich von uns entfernen sehen.

Um diesen wesentlichen Unterschied zu verstehen, kann Einsteins Relativitätstheorie ein wenig helfen. Denn diese legt nahe, dass sich im Raum nichts schneller als Licht bewegen kann. Dies scheint im Widerspruch zu Hubbels Gesetz zu stehen: ’Die Geschwindigkeit nimmt entsprechend dem Abstand zum Betrachter zu’. Angesichts des unendlichen Raums könnte sich Systeme sich so weit von uns wegbewegen, dass ihre Geschwindigkeit die des Lichts einmal übertreffen müsste. Ist das miteinander vereinbar? Ja, denn die erstgenannte Theorie bezieht sich auf Bewegungen durch den Raum (hierfür gilt die Lichtgeschwindigkeit als Limit) und die andere betrifft die Ausdehnung des Raumes (der selbst sich weiter ausdehnt).

Nach Ansicht der Wissenschaftler hat die erste Expansion in einem winzigen Bruchteil der ersten Sekunde nach der Explosion stattgefunden. Sein Faktor? 10⁶⁰ (das ist eine 1 mit 60 Nullen, oder 100x das Quadrat von einer Quadrilliarde). Manche nennen dies die Phase der kosmischen Inflation: In weniger als einem Augenblick entstand aus einem winzigen Volumen Materie (oft ’Ur-Atom’ oder ’Nicht-Sein’ genannt) der Anfang unseres Universums. Es gibt einen wichtigen Grund, aus dem hier die Aufmerksamkeit auf die gigantische Expansion des Raumes innerhalb eines kaum messbaren Zeitfragments gelenkt wird. Philosophen finden hierin den deutlichen Schlüssel für die Existenz von ’Denkgeschwindigkeit’, die nicht mit der physikalischen Grenzgeschwindigkeit c (circa 300.000 km/sec.) vergleichbar ist, jedoch einen ’instantanen’ (gleichzeitigen) Charakter hat.

Nach dem Inflations-Blitz war das Universum mit winzigen Partikeln angefüllt: sogenannten Quarks (aus denen später die Protonen und Neutronen entstehen würden) und Gluonen, die für die Verbindung zwischen Quarks ursächlich sind. In der großen Hitze kurz nach dem Urknall war der Zusammenhang übrigens kaum vorhanden: Alle Teilchen schwebten in einer Art ’Quark-Gluonen-Plasma’. Es gab auch schon Photonen und Elektronen, Teilchen, die nicht aus Quarks bestehen.

Sobald die Temperatur hinreichend gefallen war (etwa ein Millionstel einer Sekunde nach dem Urknall) konnte die Bildung von Protonen und Neutronen aus Quarks und Gluonen ihren Anfang nehmen. Aus zwei sogenannten ’up-Quarks’ und einem ’down-Quark’ entstand ein Proton; aus einem up-Quark und zwei down-Quarks bildete sich ein Neutron. Zwar gab es auch alle Arten von Antiteilchen in der ’Raumsuppe’, aber weniger zahlreich als ihre Gegensätze (glücklicherweise, denn sonst würde unser Universum nicht existieren). Die Folge hiervon war, dass -auch nach jeder Vernichtung durch eine Kollision von Teilchen und Antiteilchen- noch genug Materie übrig blieb, um unseren Kosmos weiter zu bilden.

Nach etwa 200 Sekunden könnte die Temperatur auf weniger als eine Milliarde Grad gefallen sein. Von diesem Moment an konnten die positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen zusammen Atomkerne bilden. Innerhalb von ungefähr 15 Minuten kamen alle Atomkerne der 4 leichtesten Elemente zustande, nämlich: Wasserstoff, Helium, Beryllium und Lithium. Hiernach würde sich die Temperatur bereits so viel weiter verringert haben, dass kein Verschmelzen von Protonen und Neutronen mehr möglich war. Alle schwererer Elemente sind erst viel später entstanden. Dies geschah während der Prozesse, die später im Innern der Sterne und Planeten stattgefunden haben.

Unter dem Einfluss der hohen Temperatur blieben die Elektronen und Photonen noch ungebunden. Das ständige Zusammenstoßen dieser Teilchen während der ersten 100.000 Jahre hat eine alles verschleiernden Nebel verursacht. Ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall erreichte die fortwährend abnehmende Temperatur einen Wert unter 3000° C. Dann konnten die Atomkerne damit beginnen, die freien Elektronen ’einzufangen’ und es bildeten sich vollständige Atome.

Da die Photonen nicht mehr mit den Elektronen kollidierten, verursachten die frei beweglichen Photonen (dh. also Licht) das Heraufziehen des Nebels und ein immer transparenteres Weltall. Dieses erste freie Licht ist etwas, das wir noch immer wahrnehmen können, und zwar in der Form der zuvor genannten kosmische Hintergrundstrahlung, die überall am Himmel vorhanden ist. Ihre durchschnittliche Temperatur ist -270,4° C, also 2,7° über dem absoluten Nullpunkt.

 

Teilchen oder Leere

Die bisher diskutierte Leere unseres expandierenden Universums kann schließlich so groß werden, dass sich weniger als ein Teilchen in einem Raum von einer Billiarde Kubik-Lichtjahren befindet. Bekanntlich ist ein Lichtjahr die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, das entspricht etwa 9,5 Billionen km. Nach der ersten Hypothese würde so eine Leere theoretisch schon längst das Ende unseres Universums bedeuten. Glücklicherweise bietet die zweite Hypothese die Aussicht auf Weiterbestehen. Die Leere an sich hat für uns eine große Bedeutung: Auf Grund der unverminderten Expansion können wir den Raum unseres Universums mit immer größerem Recht ’nahezu leer’ nennen.

Aber was ist ’leer’? Immer mehr Physiker sind sich darüber einig, dass der Kosmos zu 96% aus sogenannter ’schwarzer oder dunkler Materie’ besteht. Die gibt keine elektromagnetische Strahlung ab, absorbiert auch eine solche Strahlung nicht, ist unsichtbar und nur durch die Wirkung der Anziehungskraft messbar. Eigentlich neigen die Wissenschaftler dazu, von ’masselosen Teilchen’ zu sprechen. Dadurch könnte sehr viel erklärt werden. Das Problem ist jedoch, dass sobald wir von Teilchen sprechen damit unleugbar -wie wenig auch immer- eine Masse beteiligt ist. Denn jedes der genannten Teilchen muss nach der gängigen physikalischen Anschauungen nun einmal Masse haben.

Bei diesem Punkt angekommen ist es von Nutzen, mit dem Text ’Makrokosmos’ (im Teil ’Auf Entdeckungsreise’) eben das Gedächtnis in Bezug auf die mathematische Darstellung das Raumes zu erfrischen. Im Anschluss hieran können wir dann bei dem Raum-Modell bleiben, das der englische Physiker Higgs um 1964 entwickelt hat.

Nach dieser Hypothese wäre das gesamte Universum von einem unsichtbaren Feld (später Higgs-Feld genannt) ausgefüllt sein. Dieses Feld würde masselosen Teilchen mehr oder weniger Masse verleihen, abhängig von der Wechselwirkung, die sie mit dem Higgs-Feld haben. Lassen wir (und das ist wichtig) die Vorstellung festhalten, dass sich -abhängig von später zu erforschenden Einflüssen- überall im Raum abwechselnd Energie oder Materie befinden kann.

 

Das Atom

Wissend, dass der Raum nahezu leer ist, hoffen viele in der greifbaren Materie, die aus Atomen und Molekülen aufgebaut ist, einen Anhaltspunkt zu finden. Hierzu schauen wir uns genau die Struktur des Atoms an: ein Kern, um den herum ein oder mehrere Elektronen ihre Bahn beschreiben. Schon in der Schule lernten wir hierüber:

Ein Atom ist als Mini-Sternensystem zu betrachten, denn das Verhältnis zwischen der Sonne und dem Abstand zum umlaufenden Planeten stimmt ungefähr mit dem Verhältnis zwischen Atomkern und dem Abstand zum Elektron überein. So entdecken wir, dass sich selbst die sogenannte feste Materie am besten als praktisch leerer Raum zwischen winzigen Atomkernen und Elektronen definieren lässt.

Um sich diese Leere einigermaßen vorstellen zu können, nehmen wir unser eigenes Sternensystem als Beispiel. Darin beträgt der Durchmesser der Sonne etwas mehr als 0,93% des durchschnittlichen Abstands zur Erde, und der Durchmesser der Erde ist noch keine 0,009% davon. Am weitesten von unsere Sonne befindet sich der Planet Pluto: durchschnittlich 39,4 mal die Entfernung zwischen Erde und Sonne. Der Durchmesser der Sonne beträgt nur etwas mehr als 0,02% ihrer durchschnittlichen Entfernung zu Pluto. So wie wir in dem Sternensystem den riesigen leeren Raum erfahren, so können wir uns auch des offenen Raums in einem Atom vorstellen. Und dass liefert uns dann als beste Bezeichnung für jeden materiellen Körper -wie schwer und massiv er auch sein möge- die bescheidene Umschreibung: ’nahezu Leere’.

Ein beliebtes Beispiel kann die Vorstellung des ’leeren Gegenständen’ vielleicht verdeutlichen. Angenommen, wir kleben und stapeln eine große Menge von Fußbällen gegen- und aufeinander, sodass eine Mauer entsteht. Dagegen können wir uns anlehnen, darauf klettern, nicht hindurch schreiten usw. Zugleich wissen wir, dass das ganze Bauwerk praktisch völlig aus Luft besteht. In ähnlicher Weise können wir davon überzeugt sein, dass jedes stoffliche Objekt, das wir sehen oder fühlen, auf Grund seiner molekularen Struktur beinahe völlige Leere und Transparenz aufweist.

Eigentlich sehen wir bei allen Flüssigkeiten und festen Objekten nur auf eine Fassade, die durch Oberflächenspannung mehr oder weniger geschlossen bleibt. Freilich kann die Oberflächenspannung sehr groß sein, sodass wir den Eindruck eines zähflüssigen Sirups, eine festen Tuches, massiven Holzes oder harten Steins bekommen. Jedoch alle diese Dinge sind in Wirklichkeit nur praktisch offener Raum mit einer äußerst dünnen Oberfläche oder scheinbarer Wand, von der Dicke der Elektronen in den äußersten Atomen.

 

Schlussfolgerung

Die an anderer Stelle erwähnte ’96% dunkle Materie’ impliziert ein Gesamtvolumen von rund 4% messbarer Materie im Kosmos. Dies beinhaltet alle Sterne, Planeten, Kometen, Meteoriten, Staub etc. im Universum.

Wenn wir innerhalb dieses Volumens die tatsächliche Materie suchen, finden wir für alle bestehenden Atomkerne zusammen (siehe Beispiel Sonnensystem) etwa 0,001% dieser 4%. Das ist weniger als 0,0001%. Eigentlich reduziert sich das sichtbare Universum auf diese Totalmenge von Atomkernen, das heißt auf die gesamte Protonen- und Neuronenmasse im Kosmos.

Da diese zu etwa 99% aus der Bindungsenergie zwischen den Quarks besteht, bleibt letztlich etwa 1% von 0,0001% für das Volumen der Quarks. Das bedeutet weniger als 0,000001% geschätztes Volumen von Teilchen im Universum.

Mit der ständigen Expansion des Universums ist eine solche Schätzung darüber hinaus von Moment zu Moment weniger genau und hat immer weniger Einfluss in den ständig dünner werdenden Raum.

 

Es ist klar, dass bei dieser Größenordnung die Genauigkeit unserer Schätzung und die der manifestierten Materie nicht mehr wichtig ist. Es ist einfach so wenig, dass es viel logischer ist, einen energetischen Kosmos als Ausgangspunkt anzunehmen. Obwohl materielle Teilchen dann und wann, hier und dort entstehen und verschwinden, hat das verhältnismäßig wenig Bedeutung.

Wir verstehen jetzt, dass alles, was existiert und lebt, im Grunde nichts anderes als Energie ist: energetische Impulse, die in elektromagnetischen Feldern wirksam sind. Unter „Makrokosmos“ können wir hierüber mehr im Detail lesen.

Alle materiellen Formen oder Körper sind temporäre Umwandlungen von Energie in Materie und sind nicht fundamental.

 

Sobald wir im normalen alltäglichen Funktionieren nicht mehr nur in materiellen Formen denken, sondern uns des primär in allem wirksamen energetischen Prinzips bewusst sind, haben wir die andere Blickrichtung kennen gelernt. Dabei können uns die Erkenntnisse der Quantenphysik unterstützen.

Vereinfacht ausgedrückt sagt diese Theorie unter anderem, dass die Position eines Teilchens in der Natur nie genau bestimmt worden kann, aber von der Aktion des Betrachters abhängig ist. Erst die Initiative des Bewusstseins verursacht Manifestation. Mit anderen Worten: das Bewusstsein geht dem materiellen Ausdruck voran. Gedanken erschaffen die Form. Schließlich erschaffe ich meine eigenen Bilder von der mich umgebenden Welt, wie sie sich  mir dann entsprechend offenbart.

 

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