Die Ur-Explosion und ihre Asche: der Wasserstoff

Von Karl Sumereder

Uns genügt es nicht, bloß zu existieren. Wir möchten logisch einleuchtend über die Ur- und Hintergründe unseres Da-Seins informiert sein. Wir sind eine neugierige Spezies. Wir staunen und suchen nach Antworten. Wir wollen die Welt und Natur, uns selbst verstehen können. Ist dies überhaupt möglich?

Mit derartigen Fragen ringt die Menschheit seit jeher. Philosophen, Religionsbegründer, die Naturwissenschaft, die Künstlerschaft, alle Denker(innen) schlechthin trugen und tragen mit ihren Auffassungen dazu bei.

Welche Stellung haben wir im permanent ablaufenden Naturgeschehen? Was sind wir eigentlich? Sind wir gemäß den Denkansätzen der Philosophie (Realismus, Logischer Positivismus, Idealismus), den unterschiedlichen Erscheinungsformen der Religionen, der klassischen Physik, Astro- und Quanten-Physik Naturgeschöpfe, höher Seiendes oder ist unser Leben gar nur eine Fiktion?

Wie der Denker und Philosoph Hans-Joachim Schönknecht es darlegt, schafft der Mensch, wie er die natürlichen Lebensbedingungen tätig verändert, auch religiöse Systeme der Interpretation und Sinndeutung des Daseins. Religion gehört zu den Urphänomenen geistigen Lebens. Das Numinose, das Gefühl unsichtbar waltender Kräfte, der Glaube an Göttliches im weitesten Sinne also, das sich gleichwohl im Leben des Einzelnen hemmend oder fördernd auswirkt, sogar über das natürliche Ende des Lebens hinaus. Letzteres konnte so weit gehen, dass das imaginierte Leben jenseits des Grabes als das „eigentliche“ betrachtet wurde. Einer derartigen Verrückung des Sinns begegnen wir in unserem Kulturkreis erstmals beim griechischen Philosophen Platon (428/427 v. u. Z.), für den das Leben erst im postmortalen Anschauen der reinen Schönheit des Göttlichen in seine Erfüllung gelangt.

Glaubt nicht bedingungslos den alten Manuskripten, glaubt überhaupt nicht an etwas, nur weil die Leute daran glauben, oder weil man es euch seit eurer Kindheit hat glauben lassen. — Buddha

Der französische Philosoph René Descartes (1596–1650) war der Ansicht, dass der bewusste Geist aus einer immateriellen Substanz besteht, die sich den Gesetzen der Physik entzieht. Dass wir im Kern rein geistige Erscheinungen seien, die während des irdischen Daseins in einem Körper befindlich sind. Mit seiner Feststellung: „Ich denke, also bin ich“ (Cogito ergo sum) machte er dies zum Ausgangspunkt einer Gewissheit und zum Zentrum seiner Erkenntnistheorie. Dem vorurteilslosen Blick, wie die Philosophen ihn in der Nachfolge Descartes eingeübt haben (laut Hans-Joachim Schönknecht), zeigt sich die Konstituierung des Religiösen durch einen Akt der Projektion, eines Entwurfs, derart, dass die Menschen die an ihnen selbst und an den Lebewesen überhaupt erfahrene selbstständige Existenz einer die Natur im Ganzen durchwaltenden, mit Geist und Willen ausgestatteten Seelen- oder Vitalkraft verdinglichen, die in den unterschiedlichsten Objekten jeweils in spezifischer Weise sich manifestieren sollte. Nach diesem philosophischen Einschub, zurück zum Ausgangspunkt:

Die Theorie des Urknalls

Der Urknall oder die Ur-Explosion oder englisch Big Bang sind willkürlich gewählte Worte. Als Urknall wird nach den kosmologischen Theorien der Beginn des Universums aus einem singulären Zustand, dem Anfangspunkt der Entstehung von Materie, Raum und Zeit bezeichnet. Nach dem kosmologischen Standardmodell ereignete sich der Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren. Kurz nach dem Urknall war das Universum noch unendlich klein und etwa 10 Billionen Grad heiß. Innerhalb von weiteren Sekundenbruchteilen explodierte komprimierte und gebündelte Energie und dehnte sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die ersten subatomaren Partikel, wie die Quarks und Gluonen tauchten auf. Es bildeten sich weitere subatomare Gebilde, die Protonen und Neutronen als die Bausteine künftiger Atomkerne. Nach einer Abkühlungsphase bis auf etwa 2700 Grad Celsius entstanden die ersten Wasserstoffatome, Lithium und Helium. Nach 100 bis 200 Millionen Jahren bildeten sich die ersten Gaswolken. Sterne begannen zu leuchten.

Wie mit den Hilfsmitteln von Mathematik und Supercomputern skizzenhaft rekonstruiert, ist vor 13,8 Milliarden Jahren ein das Fassungsvermögen und unsere Phantasie übersteigendes „Etwas“ explodiert. Aus einem superheißen strukturlosen Plasmabrei in den ersten Minisekunden entstanden subatomare Partikel und dann das einfachste aller Atome, der Wasserstoff, ein, wie sich erwies, erstaunlich bindungsfähiges Element. Der Prozess des Auftauchens weiterer Elemente, hat sich über eine Reihe aufeinander folgender Sterne-Generationen (Supernova-Explosionen) hinweg abgespielt. Die jeweils neuen Sterne (Sonnen) entstanden aus dem Material, das von der vorangegangenen Generation stammte. Über ungeheuer lange Zeiträume hinweg entstanden die weiteren schwereren von 91 Elementen, wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Eisen, Blei, bis zum schwersten, dem Uran. Diese Elemente bilden die Bausteine unserer Welt. Alle Materie, die wir vorfinden, alle Objekte mit denen wir alltäglich umgehen, die Materie unserer Körper nicht ausgenommen, besteht aus Atomen, die einst im Zentrum von Sternen „zusammengebacken“ worden sind, die Sternengenerationen angehörten, die vor Milliarden Jahren (Supernovae) untergegangen sind. Das Kommen und Vergehen von Sternengenerationen hat alle Elemente hervorgebracht, aus denen die Welt heute besteht, woraus auch unser Sonnensystem, der Planet Erde und das irdische Leben aufgebaut sind.

Die Bedeutung von Wasserstoff

Gemäß bisher erstellten Berechnungsmodellen sind aus dem „Ur-Plasma“ und den daraus hervorgegangenen subatomaren Partikeln rund sieben Prozent aller im Universum vorhandenen Atome Helium-Atome. Fast den ganzen Rest bilden die Wasserstoff-Atome und in relativ geringerem Maße die schwereren Elemente.

Dieses Bild ist inzwischen radikal unvollständig geworden. Alles, was sich prinzipiell betrachten lässt, mit Mikroskopen oder Teleskopen und in anderen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums, ist im Weltraum in der Minderheit. Sterne, Gas und Staub bilden nur die Spitze des kosmischen Eisberges. Die uns bekannte Materie macht nicht einmal ein Fünftel der Gesamtmasse im All aus. Über 80 Prozent sind dem Standardmodell der Kosmologie zufolge unsichtbar. Deshalb, weil die vorhandene Materie – als Dunkle Materie bezeichnete – nicht mit Photonen wechselwirkt, also weder Licht absorbiert noch aussendet. Die Indizien sprechen für ein Übergewicht der unsichtbaren kalten Dunklen Materie/Energie, die wahrscheinlich aus unbekannten Elementarteilchen besteht. Die Dunkle Materie durchdringt alles, auch für uns unbemerkt unseren Körper.

Die im kosmischen Evolutionsgeschehen entstandenen Elemente mit neuartigen Eigenschaften, erwiesen sich als befähigt, untereinander eine Vielfalt von unterschiedlichen Verbindungen einzugehen. Für uns in ein Alltagsgeschehen eingebunden ist jedenfalls das Reich des Subatomaren, die Quarks und Antiquarks, die Gluonen, Elektronen, Neutrinos, Protonen, Bosonen, Photonen, Gravitonen und die Yan-Mills-Teilchen, ein Mysterium.

Dazu zählt auch das vom schottischen Physiker Peter W. Higgs, dem 2013 der Physik-Nobelpreis verliehen wurde, vorausgesagte, nach ihm benannte Boson. Bestätigt durch Experimente mit dem Large Hadron Collider am CERN in der Nähe von Genf. Mit dieser größten und kompliziertesten, kilometerweiten technischen Anlage, dringt man immer tiefer in die Geheimnisse der Materie, bis zeitlich zurück zum Urknall, ein. Es wurden überraschende Verbindungen vom Mikrokosmos zum Makrokosmos entdeckt. Das Allerkleinste ist mit dem Allergrößten eng verbunden. Das Higgs-Boson, ein Quant des Higgs-Felds, das den gesamten Weltraum ausfüllt, weist auf einen kurz nach dem Urknall angesprungenen Mechanismus hin, der den subatomaren Teilchen, die mit dem Higgs-Feld wechselwirken, ihre Ruhemasse verleiht. Das Higgs-Feld hat keine Richtung. Es ist ein Skalar-Feld und kein Vektorfeld. (Ein Feld bezeichnet eine Art Kraft/Energie, die nicht dieselben Eigenschaften hat oder sich nicht in gleicher Weise verhält, wie materielle Objekte). Allgemein verständlich, denke man etwa an ein Magnetfeld, das über den eigentlichen Magneten hinausreicht. Man kann einen Magneten zerstückeln, das Magnetfeld bleibt erhalten, weil es holistisch und nicht teilbar ist.

Mit dem gelungenen Nachweis des Higgs-Bosons ist eine Ära der Teilchenphysik zu einem krönenden Abschluss gekommen.

Es gibt auch Regionen im Universum, aus der ein Entkommen auch für Licht nicht möglich ist. Eine solche Region wird gemäß der Astrophysik als „Schwarzes Loch“ bezeichnet. Es entsteht, wenn Sterne ihren gesamten Kernbrennstoff verbraucht haben und kollabiert sind.

Die wirkende Kraft: Energie

Die Energie, immaterielle elektromagnetische Strahlung, ist eine fundamentale physikalische Größe, die in allen Abläufen und Geschehnissen eine zentrale Rolle spielt.

Jeder physikalische und physiologische Prozess benötigt und verbraucht Energie, was bedeutet, dass bei solchen Vorgängen bestimmte Energieformen in andere umgewandelt werden. Energie an sich ist einfach vorhanden und kann nicht weiter erklärt werden. Es gibt mechanische, chemische, potentielle, kinetische, elektrische, thermische und Ruheenergie. Sie kann zwischen den Erscheinungsformen umgewandelt, aber nicht vernichtet werden. Je nachdem, aus welchen Quellen Energie stammt, unterscheidet man auch zwischen primärer und sekundärer Energie. Primärenergie ist die direkt in Energiequellen vorhandene Energie. Der Großteil der genutzten Energie ist solaren Ursprungs. Alle festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffe sind in Millionen Jahren durch die Sonnenenergie entstanden. Seit Albert Einsteins Relativitätstheorie sind Ruhe-Energie und Masse durch die Äquivalenz von Masse und Energie (E = m c² ) verknüpft. Energie kann in Materie umgewandelt werden und umgekehrt.

Gemäß der Entropie-Regel wird ein mehr oder weniger großer Teil der jeweils umgesetzten Energie in freidiffundierte thermische Energie umgewandelt. Energie geht aber gemäß dem Energie-Erhaltungssatz nicht verloren. Die Summe der Energiemenge vor und nach der Umwandlung ist stets die gleiche. Energie tritt in kleinen Paketen, den Quanten auf. Durch die Quantenphysik wurde unsere High-Tech-Revolution mit den Computern, Supercomputern, Lasertechnologie, Internet, Mobilphones und so weiter erst ermöglicht. Durch die Quantenphysik wurden auch Rückschlüsse auf den Aufbau der RNA- und DNA-Moleküle, dem Erbgut aller Lebewesen gewonnen. Von einem Kilogramm zugeführter Nahrung beispielsweise wird ungefähr ein Mikrogramm in Energie umgesetzt und teilweise für Zellwachstum oder Bewegung genutzt. Durch die chemische Bindungsenergie werden einfache Moleküle beispielsweise zu organischen Verbindungen wie zu Zuckern, Eiweißen und Fetten zusammengeschlossen.

Überall im Universum und unserer Umwelt gibt es ein energieschwaches Relikt, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB). Eine Strahlung, die seit dem Urknall, dem sehr heißen und dichten frühen Universum, im All und unserer Umwelt noch vorhanden ist.

Die Energie der Sonne entsteht dadurch, dass – wie zeitlich aufwendig ermittelt wurde – vier Wasserstoffatome zu einem Heliumatom fusioniert werden. Die Strahlung der Sonne besteht aus emittierten Protonen und Elektronen, die mit tausendfacher Schallgeschwindigkeit verbreitet wird.

Eine besondere Erklärungskategorie: der Zufall

Kein Vorgang ist grundlos, sondern alles Geschehen hat seine Ursache und ist notwendig — LEUKIPP

Gemäß der klassischen Physik laufen alle Vorgänge und Ereignisse kontinuierlich ab und besitzen eine Kausalität. Jede Wirkung hat eine Ursache. Ein Zufall bedeute keineswegs, dass für ein zunächst unerklärliches Ereignis, nicht doch eine definierbare Ursache zu finden ist. Ereignet sich zum Beispiel ein Autounfall, wird nach der Ursache gesucht. War es ein technisches Gebrechen am Fahrzeug oder persönliches Versagen oder etwas anderes. Oder, wenn man jemanden zufällig getroffen hat, ist der Grund dafür ermittelbar. Nämlich, wenn man analysiert, zu welcher Zeit man aus dem Haus gegangen ist, welchen Weg man beschritten hat, wo man sich überall aufgehalten hat. Das Gleiche gilt für die getroffene Person. So ist es letztlich zu eruieren, warum man sich „zufällig“ an einer bestimmten Stelle zur gleichen Zeit getroffen hat. Der Zufall im Alltagsleben und in einem physikalischen Ereignis ist also nur scheinbar.

Gemäß dem Physiker und Nobelpreisträger Werner Heisenberg ist es nur unser momentanes Unwissen, das es uns so erscheinen lässt, als wäre ein bestimmtes Ereignis, ein bestimmtes Geschehen, rein zufällig gewesen. Dafür kann es einen oder mehrere Gründe geben. Gemäß unserem Verstand kann eben nichts ohne irgendeinen Grund geschehen.

In der Quantenphysik hat der Zufall eine völlig andere Bewandtnis. Quantenmechanische Ereignisse sind nämlich prinzipiell nicht beschreibbar. Der Zufall ist dort nicht „subjektiv“ zufällig, sondern er ist „objektiv“ zufällig. Das bedeutet, dass es dafür keine, auch noch so verborgene Erklärung gibt. Das Verhalten der Quantenteilchen sagt etwas anderes aus, als wir dies von zufälligen Ereignissen des täglichen Lebens gewohnt sind. Zufälle in quantenmechanischen Prozessen kann man gemäß der eigenen Denk-Kapazitäten nicht erklären. Man kann gemäß Anton Zeilinger: „Einsteins Schleier“, Goldmann Verlag, München, 2005, lediglich ein Verständnis dafür bekommen, dass der objektive Zufall nicht erklärbar ist, womit die Physiker sich zufriedengeben müssen. So könne man verstehen, warum es für quantenmechanische Ereignisse in der Regel keinen Grund dafür gibt, warum und weshalb sie so stattfinden, wie sie stattfinden. So könne man beispielsweise den raschen oder zeitlich späteren Zerfall eines Atoms nicht exakt bestimmen, sondern nur dessen Wahrscheinlichkeit. In der subatomaren Welt finden Geschehnisse statt, die unserem Alltagsverständnis widersprechen.

Gemäß Florian Aigner: „Der Zufall, das Universum und Du“, Brandstätter Verlag, Wien, 2016, haben wir als denkende Wesen den Zufall selbst hervorgebracht. Von einem zufälligen Ereignis könne man nur deshalb sprechen, weil es uns Denkende gibt, die etwas so empfinden. Zufall bedeutet, dass etwas Unvorhergesehenes passiert oder passiert ist, worüber man dann eine Geschichte erzählen kann. Der Zufall ist ein Begriff für eine Unerklärlichkeit im kosmischen Geschehen, welche wir nicht in der Lage sind, präzise zu hinterfragen. Die fundamentalen Naturgesetze geben uns keine Möglichkeit, einen Grund zu finden. Es fehlt uns die nötige Information. Zufälligkeit ist keine Eigenschaft des universellen Geschehens, sondern eine Kategorie unseres beschränkten Denkens.

Die Überfülle von Rätseln

Die enorme Zeitdauer während der sich Lebensformen auf unserem Planeten entwickelten, ist eigentlich unvorstellbar. Das Gleiche gilt für die Evolution des Universums nach dem Urbeginn, dem Urknall. Das Rätsel des Anfangs entzieht sich unserer Vorstellungskraft. Bestimmte Fakten können durch die Naturwissenschaft nachträglich ermittelt werden. Man hat Zahlen, Formeln, Namen, Begriffe dafür, aber nicht wirklich Anschauliches und Begreifbares. Die Rätsel, um die es sich handelt, sind keine Eigenschaft des Universums, sondern sind Kategorien in unserem Kopf. Heute besitzen wir die Erkenntnis, dass in dieser ungeheuer großen Welt und unserer unmittelbaren Umwelt alles miteinander zusammenhängt. Das Allerkleinste mit dem Allergrößten, das Allernächste mit dem, was sich an den Grenzen des Beobachtbaren abspielt. Alles wird von Energien/Kräften bewirkt, die aus den Tiefen des Universums stammen.

Es ist ein Rätsel, dass sich nach dem Urknall die vorhandene positive und negative Materie/Energie nicht gegenseitig ausgelöscht haben. Der Teil positiv geladener Teilchen war die Voraussetzung für die erfolgten Weiterentwicklungen im Kosmos. Der Ursprung der Ur-Materie, der Bau des Wasserstoffatoms ist auch ein Geheimnis. Es ist ein Rätsel, dass sich unterschiedliche Atome nach langer Zeitdauer zu Verbindungen zusammengeschlossen haben und den Aufbau von geordneten Strukturen bildeten. Die weiteren Elemente nach den ursprünglichen Elementen Wasserstoff und Helium, wurden durch Sterne-Explosionen (Supernovae) herausgebildet. Der erfolgte Zusammenschluss von Elementarteilchen zu Molekülen immer komplizierterer Strukturen ist uns auch nicht begreiflich. Es ist ein Rätsel, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff zusammenschlossen und dadurch Wasser, eine Grundvoraussetzung zur Entstehung von Lebendigem, bildeten. Wie konnte es dazu kommen, dass aus biologischen Molekülen Zellen entstanden? Solche ohne einen Zellkern und solche mit einem solchen, mit dem Auftauchen der informationsspeichernden Großmoleküle RNA und DNA. Aus Einzellern entstanden vielzellige Strukturen, die in ihrer Komplexität über Pflanzen und Tiere bis zu uns Menschen eskalierten, mit der Fähigkeit zur Reflexion und dem Nachdenken über das Ganze. Es ist auch ein Problem zu erklären, außer der Feststellung einer erfolgten materiellen Selbstorganisation, wie aus den einfachen Grundsubstanzen Methan, Ammoniak, Wasser und Kohlendioxyd die komplizierten und wandlungsfähigen Energie-Lieferanten, die Eiweiß- und Nukleinsäure-Moleküle, die Bausteine des Lebens, sich herausbildeten. Die Eiweißarten, die bei Algen, Moosen, Flechten, Pflanzen und tierischen Lebewesen vorkommen, sind alle aus einem Satz von 20 Aminosäuren aufgebaut. Alles Lebendige ist so mehr oder minder miteinander verwandt.

Das Geheimnis unseres Denkens

Gemäß Stanislas Dehaene: „Denken – wie das Gehirn Bewusstsein schafft“, Albrecht Knaus Verlag, München, 2014, wird kein Experiment je zeigen können, wie die zigmillionen kortikaler Neuronen in unserem Gehirn feuern, wenn etwas bewusst wahrgenommen wird, in diesem unablässig fluktuierenden Netzwerk, in dem eine innere Welt von Gedanken erzeugt wird. In einem unvorstellbar komplizierten, permanent ablaufenden elektro-magnetischen, biochemischen, molekularen Vorgang bildet sich in Sekundenbruchteilen, was wir denken, fühlen und erleben.

Unser Denkorgan, das Gehirn, ist ursprünglich kein solches zum Verstehen der Welt, sondern um das Überleben abzusichern.

Alles Seiende wird durch energetisch-chemische Prozesse hervorgerufen. Energie-Impulse sind das Um und Auf. Was Energie in den unterschiedlichen Formen an sich eigentlich ist, wissen wir nicht und werden es auch nie wissen. Was Materie in den Formen fest, flüssig oder gasförmig an sich eigentlich ist, wissen wir ebenfalls nicht und werden es nie wissen. Wer wir selbst eigentlich sind, hervorgegangen aus dem energetischen Vorgang der erfolgten Verschmelzung einer mütterlichen Eizelle mit einer väterlichen Samenzelle, wissen wir auch nicht.

Was hinter so manchen Fragen steht, bleibt also offen. Man kann sich diesen Fragen aber, falls man persönlich dazu in der Lage ist, philosophisch nähern.

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