Was die Welt im Innersten Zusammenhält E-Book

Herbert Bruder

• Herausgeber: BoD - Books on Demand
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 180

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Das Buch geht der Frage auf den Grund, was unser Universum zusammenhält. Das erfordert einen tiefen Blick in den Anfang des Universums, als Materie, deren Masse und die Naturkräfte entstanden sind. Nach den heutigen Erkenntnissen werden diese Prozesse im Wesentlichen durch die Eigenschaften des sogenannten Higgsfeldes festgelegt. Der weitere Verlauf der Entwicklung des Universums, die Geschichte des Universums , wird im Rahmen des Kosmologischen Standardmodells diskutiert. Wenn wir der Frage von Goethes Faust nachgehen, Was die Welt im Innersten zusammenhält, müssen wir auch einen Blick auf das Phänomen Leben haben: Was stabilisiert die Welt des Lebendigen? Was treibt die biologische Evolution? Was stabilisiert die Lebensfunktionen der Zelle und was ist der Motor für die Reproduktion von Zellen? Das Buch adressiert den neugierigen Laien ebenso wie Studenten der Naturwissenschaften, die einen Überblick über den eigenen Fachbereich hinaus als Grundlage für ihr naturwissenschaftliches Verständnis anstreben.

Leseprobe

Für meine Frau Conny und meine Kinder Annika, Elena, Corinna, Lucia, Jan

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1. Grundlagen

1.1 Die Relativitätstheorien Albert Einsteins

1.2 Moderne Astrophysik

1.3 Grundlagen der Quantenphysik

2. Der allererste Anfang (Urknall)

3. Die Entstehung der Naturkräfte

3.1 Grundkräfte der Natur

3.2 Der Higgs-Mechanismus

3.3 Higgs - Feld und Spontane Symmetriebrechung

3.4 Woher stammt die Materie und die Materie und die Masse?

3.5 Symmetrien und Erhaltungssätze

3.6 Symmetriebrechung und die Naturkräfte

4. Das kosmologische Standardmodell

4.1 Die kosmische Inflation

4.2 Die Kosmische - Hintergrund -

4.3 Dunkle Materie

4.4 Dunkle Energie

4.5 Die Entstehung kosmischer Strukturen

4.6 Elementsynthese

5. Die Feinabstimmung der Naturkonstanten

5.1 Raumdimensionen

5.2 Stabilität der Erdachse

5.3 Die Stabilität des Sonnensystems

5.4 Der Lebenszyklus der Sterne

5.5 Dunkle Energie

5.6 Die Asymmetrie von Materie und Antimaterie

5.7 Die Häufigkeit von Kohlenstoff

5.8 Die Kopplungskonstante der Starken Wechselwirkung

5.9 Das Massenverhältnis von Protonen und Elektronen

6. Stabilität in Lebewesen

6.1 Vom Atom zur Zelle

6.2 Die Biologische Evolution als Motor des Lebendigen

6.3 Mutationsgeschwindigkeit

6.4 Biologische Information und der Bauplan des Lebens

6.5 Die Funktion der Zelle (Zellbiologie)

6.6 Die Reproduktion der Zellen

6.7 Immunbiologie

6.8 Mechanismen des Lebens

6.8.1 Dynamik

6.8.2 Energetik

6.8.3 Organisation

6.8.4 Information

7. Zusammenfassung

Literatur

Glossar

Bildnachweise

Vorwort

„Habe nun, ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie durchaus studiert, mit heißem Bemühn.

Da steh' ich nun, ich armer Tor, Und bin so klug als wie zuvor! Drum hab' ich mich der Magie ergeben, Ob mir durch Geistes Kraft und Mund nicht manch Geheimnis würde kund;

Dass ich nicht mehr mit saurem Schweiß zu sagen brauche, was ich nicht weiß; Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“. (Goe)

Die von Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832) 1808 niedergeschriebene Tragödie, die die Geschichte des historischen Doktor Faustus aufgreift, klingt im beginnenden 19. Jh. im Hinblick auf das Wissen über die Welt doch sehr pessimistisch.

Zu Beginn des 21. Jh. würde Goethe vermutlich zu einem weitaus positiveren Weltverständnis anstimmen, denn heute sind wir in der Lage eine Vielzahl tiefgehender Fragen hinsichtlich der Natur mit hoher Präzision zu beantworten.

Dieses Buch will populärwissenschaftlich den Stand in der Physik und in der Biologie zum Wissen der Naturwissenschaften in Bezug auf die Frage, was das Universum und das Leben stabilisieren, aufzeigen.

Was ist es, das das Universum als Ganzes und die Teile darin, also vom Allergrößten bis hin zum Allerkleinsten zusammenhält? Welche Kräfte sind wirksam?

Über die Welt des Allerkleinsten konnte man vor 250 Jahren keine experimentell fundierten Aussagen machen. Man wusste nichts von einer atomaren bzw. subatomaren Welt.

Philosophische Denkmodelle, die die richtige Richtung wiesen, sind schon vor mehr als 2000 Jahre vor Goethe’s Zeit entstanden: der griechische Philosoph Leukipp (um ungefähr 450 - 370 v. Chr.) und sein Schüler Demokrit (460 - 371 v. Chr.) waren die ersten, die sich die Materie aus unteilbaren Grundbausteinen (griechisch: atomos) aufgebaut, vorstellten. Diese Atome sollten ihrer Vorstellung nach bereits die Eigenschaften der aus ihnen aufgebauten Materie aufweisen. Diese Denkweise entsprang aber alleine der präsokratischen philosophischen Denkschule und entbehrte jeglichen physikalischen Nachweis.

Ebenso waren die Möglichkeiten über die Welt des Allergrößten Aussagen zu machen noch sehr begrenzt. Der Mangel an geeigneten Instrumenten, insbesondere was die damals verfügbaren Teleskope anbetrifft, hat tiefere Einblicke und Einsichten in astrophysikalische und kosmologische Eigenschaften des Weltalls noch verhindert.

In diesem Buch werden wir sowohl in der Welt des Allerkleinsten, als auch in größten kosmischen Dimensionen der Frage nachgehen, was die bindenden Kräfte sind, die die Entwicklung des Universums beeinflussen, und die Materie stabilisieren. Wir werden sehen, dass diese Evolution unmittelbar verknüpft ist mit den bindenden Kräften im atomaren und subatomaren Bereich.

Auf Basis der Physik der Quantenfeldtheorie wollen wir verstehen, was die Grundkräfte der Natur, nämlich die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung charakterisiert und wie diese zur Stabilisierung der Natur beitragen.

Diese Kräfte sind bereits in einer frühen Phase des Universums, im so genannten Urknall entstanden, als das Universum sich ausdehnte und daher abkühlte.

Wir werden auch die Frage beantworten: woher stammt all die Materie im Weltall und die Masse der Materie?

Mit dem Begriff Materie ist zwangsläufig auch der Begriff Gravitation verknüpft. Die Gravitationskraft lässt sich bisher nicht in das Schema einer Quantenfeldtheorie einordnen. In der Welt der Quanten ist die Gravitationskraft aufgrund ihrer geringen Stärke - sie ist die schwächste aller Naturkräfte - nicht von Bedeutung. Im Zusammenspiel mit massiven Objekten ist sie jedoch die dominante Kraft und insbesondere Ursache für die Dynamik der Himmelskörper.

Sir Isaac Newton (1643-1727) formulierte als erster die Gesetze der Gravitation zwischen massebehafteten Körpern ohne die Ursache für die Schwerkraft benennen zu können.

Diesen Schritt vollzog erst Albert Einstein (1879-1955) im Jahre 1915, als er die Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte (Ein).

In dieser Theorie ist Gravitation eine Konsequenz der Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit in der Umgebung von massereichen Körpern. Die Raumzeit ist das architektonische Gerüst des Universums.

Die Materie krümmt den Raum, und der gekrümmte Raum beeinflusst die Bewegung von massetragenden Objekten. Für Körper mit kleinen Massen ist der Einfluss vernachlässigbar. Doch Objekte mit großer Masse - beispielweise Planeten im Sonnensystem - werden dadurch auf charakteristische Umlaufbahnen gelenkt. Der Apfel fällt vom Baum, weil er in der von der Erde gekrümmten Raumzeit zu Boden fällt.

Bei der Entwicklung des Universums, der Galaxien und der Sterne gibt es eine Reihe von Einflussgrößen, die entscheidend sind. Im frühen Universum müssen wir die Quantenmechanik bemühen, um die Bildung der Keime der Galaxien zu verstehen. Heute gelingt es, die Dynamik der Galaxien und die Bewegungen der Sternkomplexe innerhalb der Galaxien genauestens zu analysieren.

Bei der Auswertung der Dynamik von Galaxien zeigt sich, dass es nicht - sichtbare Materie, die so genannte Dunkle Materie geben muss, die Galaxien zusammenhält. Weitere kosmologische Phänomene, beispielsweise der Gravitationslinseneffekt bestätigen die Existenz der Dunklen Materie.

Des Weiteren muss es zu den gravitativen Erscheinungen eine Gegenkraft geben, da sonst die durch den Urknall bedingte Expansion des Universums irgendwann gestoppt werden und das Universum aufgrund des Sogs der normalen Gravitation wieder kontrahieren hätte müssen. Das Universum wäre schließlich kollabiert.

Diese Gegenkraft konnte nachgewiesen werden. Es handelt sich um eine anti-gravitative Kraft, die der Gravitationskraft entgegenwirkt und das Universum expandieren lässt. Tatsächlich konnte gezeigt werden, dass das Universum seit ca. 6 Milliarden Jahren sogar beschleunigt expandiert.

Die damit verbundene, so genannte Dunkle Energie macht 70% der im Universum vorhandenen Energie aus, wohingegen die sichtbare Materie nur ca. 5% Anteil hat.

Interessant ist auch die Frage: warum ist unser Sonnensystem stabil? Wir werden sehen, auch diese Eigenschaft eines Sonnensystems ist nicht unbedingt selbstverständlich und hängt von speziellen Eigenschaften des Planetensystems, insbesondere deren Umlaufzeiten und Massen ab.

Um im Sinne von Faust die Welt verstehen zu wollen, muss man auch der Frage nachgehen, woher all die chemischen Elemente stammen, die wir hier auf der Erde finden, und die für unsere Existenz unabdingbar sind. Heute weiß man, leichte Elemente, insbesondere der für das Leben wichtige Kohlenstoff, werden in Fusionsprozesse in den Sternen erbrütet. Die Entstehung der schweren Elemente mit Kernladungs-Zahl jenseits der des Eisens konnte erst in der jüngsten Vergangenheit geklärt werden.

Wie entsteht das Licht der Sonne, das uns mit Energie versorgt und für das Wachstum der Pflanzen und anderer Organismen verantwortlich ist?

Ein Thema, das uns besonders beschäftigen wird, ist die so genannte Fein - Abstimmung der Naturkonstanten. Für viele Naturkonstanten, also Parameter, die physikalische Gesetzmäßigkeiten regeln, ist bekannt, dass durch kleinste Abweichungen von ihrem derzeitigen Wert entscheidende Änderungen in den Abläufen der Natur zu erwarten sind, sodass beispielsweise kohlenstoffbasiertes Leben oder sogar die Existenz des Universums verhindert wären. Diese Parameter können nicht durch die Naturgesetze selbst hergeleitet werden.

Wenn wir biologische Systeme, also lebende Organismen betrachten, so müssen wir uns vorab wiederum mit Aspekten der Quantenmechanik beschäftigen. Erst die Quantenmechanik hat das Verständnis für Atom - und Orbitalmodelle für die Molekülphysik und für die Bildung molekularbiologischer Makromoleküle ermöglicht.

Eine Hierarchiestufe oberhalb der Makromoleküle stellt sich die Frage: was stabilisiert die Funktionen einer Zelle? Was ermöglicht die Reproduktion einer Zelle und die Reproduktion der Erbinformation? Was leistet das Immunsystem? Was sind die lebenserhaltenden Faktoren im Bereich des Lebendigen?

Tatsächlich könnte man diese Liste erweitern. Letztlich wird man feststellen, dass sich funktionelle Prozesse in unserem Organismus wie ein Rädchen ins andere fügen. Auch hier scheint es eine gewisse Fein - Abstimmung zu geben, denn in der Regel führen geringste Abweichungen von der Norm - z.B. Mutationen im Genom - zur Schädigung der Gesundheit eines Organismus.

Es würde jedoch den Rahmen dieser Arbeit sprengen, alle funktionellen Abhängigkeiten unseres Organismus zu überprüfen, inwieweit sie zur System - Stabilität beitragen, und somit sozusagen system-relevant sind. Derartige Analysen gibt es von Experten im Bereich der Zellbiologie und Molekularbiologie.