Johan Olsen, geboren 1969, ist ein dänischer Rockmusiker und promovierter Biologe. An der Universität Kopenhagen erforscht er die molekulare Struktur von Proteinen. Der leidenschaftliche Naturwissenschaftler hat bereits im dänischen Fernsehen eine Wissensserie moderiert.
Einleitung
1. Kapitel: Was braucht man, um eine Welt zu erschaffen?
1. Kapitel: Was braucht man, um eine Welt zu erschaffen?
2. Kapitel: Die Atome
2. Kapitel: Die Atome
3. Kapitel: Der Anfang von allem
3. Kapitel: Der Anfang von allem
4. Kapitel: Die Sonne
4. Kapitel: Die Sonne
5. Kapitel: Die Erde
5. Kapitel: Die Erde
6. Kapitel: Das Universum
6. Kapitel: Das Universum
7. Kapitel: Quantenmechanik
7. Kapitel: Quantenmechanik
8. Kapitel: Relativitätstheorie
8. Kapitel: Relativitätstheorie
9. Kapitel: Das Leben
9. Kapitel: Das Leben
10. Kapitel: Der Mensch
10. Kapitel: Der Mensch
11. Kapitel: Die Moleküle des Lebens
11. Kapitel: Die Moleküle des Lebens
12. Kapitel: Die Wirklichkeit
12. Kapitel: Die Wirklichkeit
Danksagung
Was magst du lieber, Geschichten über Steine oder über irgendetwas Lebendiges? Die meisten, die ich kenne, würden sich für etwas Lebendiges entscheiden.
Magst du lieber Geschichten über Pflanzen oder über Tiere? Die meisten, die ich kenne, würden lieber Geschichten über Tiere hören. Am liebsten über Menschen. Am allerliebsten über sich selbst.
Anscheinend glauben wir Menschen, dass die ganze Welt nur auf uns gewartet hat. Dass all das, was vor uns passierte, eine einzige lange Reise war, deren Ziel wir selbst sind.
Vielleicht, weil wir bei allen anderen Erklärungsversuchen das unangenehme Gefühl haben, dass alles einfach nur kommt und geht und deshalb eigentlich sinnlos ist.
Doch so ist es nicht. Wir Menschen sind die ersten Lebewesen, die wissen, dass wir eine Art unter vielen anderen sind. Und die Ersten, die über unseren Platz in der Welt und den Sinn unseres Lebens nachdenken. Und aus diesem Grund ist unser Leben eben nicht sinnlos, sondern sinnerfüllt und voller Hausaufgaben und Liebe und Leberwurstbrote und Einsamkeit und Angry Birds (ein völlig sinnfreies Handyspiel, bei dem man mit Vögeln auf Schweine schießt).
Das Buch, das du in der Hand hältst, beschreibt, wie alles begann und nach und nach zu der Welt wurde, in der wir heute leben. Es handelt also von Steinen, Atomen, Sahnetorten, dir und mir und von Eichhörnchen und Dinosauriern.
1. Kapitel
Die Welt besteht unter anderem aus Käse und Bergen, Gänseblümchen und Wolken, Mond und Sonne und deinem Nachbarn. Wenn du ein Haustier namens Rumpel hast, besteht die Welt auch aus Rumpel. Die Welt besteht aus all dem, was wir sehen, anfassen, schmecken und hören können. Sie besteht auch aus vielen Dingen, die wir nicht sehen oder anfassen können. Und wohl auch aus einigen Sachen, die wir noch nicht entdeckt haben. Aber man kann nicht alles, was es gibt, in einem Buch beschreiben. Oder in einer Milliarde Büchern. Doch man kann durchaus beschreiben, woraus alles gemacht ist. Und glücklicherweise sind all die Sachen, die wir sehen und anfassen können, aus relativ wenigen einzelnen Bausteinen gemacht, von denen ich dir gleich erzählen werde.
Die Bausteine nennen wir Atome. Davon gibt es ein paar Hundert verschiedene, von denen du sicher einige kennst. Zum Beispiel Gold und Silber, Eisen und Helium. Helium pumpt man in Luftballons, damit sie schweben, und man kriegt eine ziemlich witzige Stimme, wenn man es einatmet. Wenn ein Glas Wasser vor dir auf dem Tisch steht, kennst du auch Silizium. Das ist der häufigste Grundstoff auf der Welt und Glas besteht zum Großteil aus Silizium.
Das meiste auf unserer Welt besteht aus recht wenigen Arten von Atomen. Es gibt zwar eine Menge verschiedener Atomarten, aber viele sind recht selten. Atome funktionieren ein bisschen wie Legosteine. Sie können sich zusammenfügen, wenn sie zueinander passen. Wenn zwei oder mehrere Atome sich zusammengefügt haben, nennt man das ein Molekül. Wenn du ein Glas Wasser trinkst, trinkst du massenhaft Wassermoleküle. Praktisch mehr Wassermoleküle, als es Sterne im ganzen Universum gibt.
Moleküle sind winzig, winzig klein. Wassermoleküle gehören zu den kleinsten Molekülen, die es gibt.
Würde man 3,6 Millionen Wassermoleküle in eine Reihe legen, wäre die Reihe einen Millimeter lang. Aber: Würde man alle Wassermoleküle aus einem einzigen Löffel Wasser in eine Reihe legen, würde sie bis zum Mond und zurück reichen, und zwar 200.000-mal! Wassermoleküle sind klein und es gibt sehr, sehr viele davon.
Wassermoleküle bestehen aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Die Formel für Wasser schreibt man deshalb so: H2O. Das Sauerstoffatom ist ein Atom-Legostein mit zwei Noppen. Wasserstoff hat ein Loch. Also können sich zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom verbinden und H2O, also Wasser, bilden.
Wir brauchen also Atome, um eine Welt zu schaffen. Als Nächstes brauchen wir Energie. Ohne Energie würden die Atome auseinanderfallen und es gäbe keine Moleküle, Planeten oder Katzen. Und es gäbe auch niemanden, um dieses Buch zu schreiben oder zu lesen. Alles, was etwas verändern kann, nennen wir Energie. Auch das, was Dinge zusammenhält, ist Energie.
Denk an einen Teller. Er kann jahrhundertelang auf einem Tisch oder in einem Schrank stehen, ohne zu zerspringen oder zu zerbröseln. Doch wenn er herunterfällt, zerspringt er in Stücke. Denn wenn der Teller auf dem Boden aufschlägt, wird ihm Energie zugeführt, die größer ist als die Energie, die ihn zusammenhält. Wenn wir die Scherben aufsammeln, liefern wir ihnen Energie, damit sie wieder auf dem Tisch liegen können. Wenn wir sie wieder zusammenkleben, streichen wir Klebstoff auf die Bruchstellen und liefern den Scherben Energie, indem wir sie zusammendrücken. Wenn wir eine Weile gedrückt haben, haben sich die Legosteine des Klebstoffs zu langen, fadenförmigen Molekülen zusammengefügt, die genug Energie haben, um die Scherben zusammenzuhalten.
Es gibt vier Formen von Energie im Universum. Zwei davon nennt man Kernkräfte. Sie sorgen dafür, dass die Atomkerne zusammenhalten. Die dritte nennt man elektromagnetische Kraft. Sie bringt die Atome dazu, sich in Molekülen zu sammeln. Sie gibt uns auch Licht und Wärme und viele andere Dinge. Die vierte ist die Schwerkraft.
Kernkraft ist unter anderem das, was die Sonne zum Scheinen bringt – aber das Licht selbst ist Teil der elektromagnetischen Energie.
Die Schwerkraft bewirkt, dass es überhaupt eine Sonne und Planeten gibt. Und dass die Erde sich um die Sonne dreht. Und dass du dir die Knie aufschlagen kannst, wenn du hinfällst.
Also gut, wie brauchen Atome und Energie, um eine Welt zu erschaffen. Dann können wir ja loslegen. Aber woher kommen die Atome und die Energie?
2. Kapitel
Dass es Atome gibt, weiß man seit ungefähr 100 Jahren. Der weltberühmte deutsche Wissenschaftler Albert Einstein konnte beweisen, dass Atome existieren. Und ein Däne namens Niels Bohr fand heraus, wie sie aufgebaut sind. Wenn man Atome verstehen will, muss man viele Jahre studieren und sehr, sehr gut in Mathe sein. Die Welt der Atome ist so merkwürdig und anders als unsere Welt, dass man sie nicht mit Worten oder Bildern beschreiben kann, sondern nur mit Mathematik. Ich will trotzdem versuchen, dir zu erklären, wie du dir ein Atom vorstellen kannst.
Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern (+). Um den Kern herum befinden sich Elektronen, die negativ geladen sind (–).
Man kann sich ein Atom wie ein kleines Sonnensystem vorstellen, mit der Sonne in der Mitte und Planeten, die darum herum kreisen. Wenn ein Planet aus seiner Umlaufbahn um seine Sonne gestoßen wird, dann kehrt er nicht wieder auf seine alte Bahn zurück. Entweder findet er eine neue oder er verlässt sein Sonnensystem für immer.
Bei Atomen ist es ein bisschen anders. Wenn ein Elektron aus seiner Umlaufbahn um den Atomkern geworfen wird, findet es auf genau dieselbe Bahn zurück. Es ist der Platz, an den es gehört. Ja, wenn man unbedingt will, kann man ein Elektron von seinem Atom wegschießen, indem man ihm einen ordentlichen Tritt verpasst. Doch dann kommt ein anderes Elektron und setzt sich auf die freie Umlaufbahn.
Wenn du eine Wurst in einen Eimer wirfst, kann man ihren Weg verfolgen: von dem Moment an, in dem du sie loslässt, bis zu ihrem Aufprall im Eimer. Du hast der Wurst eine große Menge Energie gegeben, sodass sie eine Weile der Schwerkraft der Erde entgeht. Doch diese Energie wird unterwegs verbraucht, und sie ist aufgebraucht, wenn die Wurst still im Eimer liegt. Du hast der Wurst Bewegungsenergie (oder kinetische Energie) gegeben, die sehr schnell verloren geht.
Auch auf eine andere Art kannst du einer Sache Energie liefern. Nimm die Tasse mit dem Leuchtturm, die du im letzten Urlaub gekauft hast. Wenn du sie vom untersten auf das oberste Regalbrett stellst, hast du ihr Energie zugeführt. Das kannst du testen, indem du eine schöne, dicke Sahnetorte vor dem Regal auf den Fußboden stellst. Zuerst lässt du die Tasse vom untersten Brett auf die Torte fallen. Dann nimmst du eine neue Sahnetorte und lässt die Tasse vom obersten Regalbrett fallen.
Du wirst sehen, dass die Tasse, die vom obersten Brett auf die Torte gefallen ist, eine viel tiefere Kuhle in die Sahne geschlagen hat. Das liegt daran, dass du ihr mehr Energie zugeführt hast, indem du ihre Entfernung zum Erdmittelpunkt vergrößert hast. Dadurch, dass du die Tasse aufs oberste Regalbrett gestellt hast, hast du ihr mehr Lageenergie (auch potenzielle Energie genannt) verliehen. Natürlich kannst du die beiden Sahnetorten mit deiner Familie oder deinen Freunden aufessen, nachdem du die Tiefe der Kuhlen gemessen hast.
Es gibt also, grob gesagt, zwei unterschiedliche Arten von Energie: Lageenergie und Bewegungsenergie.
Wenn man ein Elektron beleuchtet, das sich in der Umlaufbahn eines Atoms befindet, kann man es dazu bringen, auf eine andere Bahn überzuspringen. Man gibt dem Elektron potenzielle Energie, so ähnlich, als würde man eine Tasse auf ein höheres Regalbrett stellen. Doch das Elektron springt wieder zurück auf die Bahn, von der es gekommen ist. Das Elektron verbraucht seine Energie nicht, um eine Kuhle in eine Torte zu schlagen. Die zusätzliche Energie, die das Elektron auf der neuen Bahn besitzt, wird in Form von Licht abgegeben, wenn das Elektron auf die alte Bahn »zurückspringt«.
Kennst du diese Sterne, die man an die Wand kleben kann und die im Dunkeln leuchten? Das Licht, das du im Dunkeln siehst, kommt von Elektronen, die an ihren gewohnten Platz »zurückspringen«, nachdem das Licht von der Sonne oder einer Lampe sie von ihrer Bahn auf eine andere Bahn um ihren Kern geschickt hat. Wenn die Elektronen »zurückspringen«, senden sie also Licht aus.
Das Elektron befindet sich niemals zwischen den Umlaufbahnen der Atome. »Springen« ist also eigentlich kein treffendes Wort. Das Elektron ist einfach plötzlich auf der anderen Bahn. Aber in unserer Welt können wir nicht von einem Ort zum anderen kommen, ohne dass wir unterwegs die ganze Zeit körperlich anwesend sind. Deshalb haben wir kein Wort dafür, von einem Ort zum anderen zu gelangen, ohne uns fortzubewegen. Aus diesem Grund sagen wir »springen«.
Positive Ladungen und negative Ladungen ziehen sich gegenseitig an – ein bisschen wie Magneten. Wenn der Atomkern positiv geladen ist und die Elektronen negativ – warum sausen die Elektronen dann nicht auf direktem Weg in den Kern?
Das liegt daran, dass die Elektronen eine Art Wellen und gleichzeitig Teilchen sind. Und die Wellen können sich um den Kern legen und unterschiedliche Energien haben. Das ist es, was Niels Bohr herausgefunden hat. In Kapitel 7 kannst du mehr darüber lesen.
Das Atom ist magisch. Magisch, weil die physikalischen Gesetze, die im Atom gelten, ganz anders aussehen als die, die wir in unserer Welt beobachten können – obwohl unsere Welt aus magischen Atomen aufgebaut ist! Du findest, das klingt völlig Banane? Da bist du nicht allein. Alle Leute, selbst die größten Atomexperten der Welt, finden es sehr merkwürdig. Aber so ist es nun mal.
Die Atome haben also einen positiven Kern und außen um den Kern sitzen die Elektronen wie Wellen mit unterschiedlicher Energie. Wasserstoff ist das leichteste Atom. Es hat ein Elektron und ein positives Teilchen im Kern. Das positive Teilchen nennt man Proton. Das zweitkleinste Atom ist Helium. Es besitzt zwei Elektronen und zwei Protonen.
Helium ist ein Gas. Man füllt es in Luftballons, um sie in die Luft aufsteigen zu lassen, denn Helium ist leichter als Luft.
Die Atome unterscheiden sich durch die unterschiedliche Protonenanzahl, die sich in ihrem Kern befindet. Protonen, das waren die positiv geladenen Teilchen. Alle Sauerstoffatome im Universum haben acht Protonen. Wenn keine acht Protonen vorhanden sind, ist es kein Sauerstoff.
Die Elemente sind im sogenannten Periodensystem sortiert, das der Russe Dmitri Mendelejew erfunden hat. Als Erstes ordnete er die Atome nach der Anzahl der Protonen im Kern. Nummer 1 ist das Atom mit einem Proton, Wasserstoff. Dann folgt das mit zwei Protonen, Helium, dann das mit drei, Lithium, und so weiter. Die Anzahl der Protonen nennt man Ordnungszahl.
Doch das Periodensystem besteht nicht nur aus einer langen Reihe mit den leichtesten Atomen am einen Ende und den schwersten am anderen. Mendelejew sortierte die Atome auch so, dass die, die übereinander stehen, etwas gemeinsam haben. Ihre Gemeinsamkeit besteht darin, mit welcher Art von Atomen sie sich verbinden oder nicht verbinden können.
Hydrogenium79Aurum
Alles, was wir anfassen können, alle Dinge, alles Leben, alle Sterne und deine Mutter sind aus Atomen entstanden. Aber es gab eine Zeit, als im ganzen Universum kein einziges Atom zu finden war. Das nächste Kapitel handelt davon, wie alles begann.