Wir glauben vieles zu wissen,
aber was wissen wir wirklich?
 
 

Fragen an die Naturwissenschaft
und Versuche zur Antwort
 

Von Heinz G. Klug
Nach Anregungen von Harald Duhn












Im Jahre 2014
Alle Rechte beim Urheber
 
 
 

      Inhalt
 

        Vorwort

 1     Vom Sinn des Universums
 2     Das Problem des Urknalls
 3     Der erste Anfang des Universums
 4    Multiversum – Hypothesen
 5    Nachweis belebter Exoplaneten
 6    Entstehung des Lebens, Leben im Universum
 7    Die Abstammung des Menschen – Evolution oder
       göttliche Schöpfung
 8    Gab es Adam und Eva wirklich?
 9    Wissenschaft und die Frage nach der Realität
10    Wesen und Grenzen der Wissenschaft
11   Mikro-und Makrophysik – Zufall und Kausalität
12   Vom Wesen der Zeit
13   Gleichzeitigkeit in der Speziellen Relativitätstheorie
14   Kosmologie und Wärmetod
15   Mathematik und Naturwissenschaft
16   Wie denkt der Mensch
17   Naturwissenschaft und Kunst
18   Die Wissenschaft und die Ethik
19   Die Wissenschaft und die menschliche Seele
    Schlussbemerkung
    Anhang: Bibliographie
    Anhang: Kurzbiographien der dargestellten Personen
    Autor und Anreger
 
 
 

"Ich habe den Verdacht, dass das Universum nicht nur viel seltsamer ist, als wir annehmen, sondern auch viel seltsamer, als wir überhaupt annehmen können."

J.B.S. Haldane, Evolutionsbiologe
Vorwort

Dieser Text ist entstanden aus Gesprächen mit meinem Freund Harald Duhn, lebenslang philosophierend, Verfasser von philosophischen Texten und an naturwissenschaftlichen Fragen stark  interessiert.

Harald Duhn hat wiederholt seine Überzeugung geäußert, dass Philosophie heute wissenschaftliche Erkenntnisse berücksichtigen muss. Im  Dialog mit Harald Duhn hochgekommene Fragen formen das Gerüst dieses Textes. Viele der Fragen stammen verbatim von ihm, andere habe ich mit seiner Zustimmung nachformuliert.

Die Fragen berühren sehr unterschiedliche Gebiete der Wissenschaft. Eigentlich müsste eine  ganze Gruppe von Fachleuten darauf antworten. Ich selbst, der auf die Fragen antwortende,  bin nicht einmal ein "richtiger" Wissenschaftler, sondern ein naturwissenschaftlich gebildeter Ingenieur. Wenn ich hier die Fragen zu beantworten versuche, dann nicht eigentlich als Wissenschaftler, sondern eher in der Rolle eines wissenschaftlichen Journalisten. Das hat den Vorteil, dass ich leichteren Herzens hinschreiben kann, dass es auf vielen Gebieten noch keine befriedigenden Antworten  gibt, oder  dass die Fachleute gar selber Verständnisprobleme haben.

Mit einigen Gebieten habe ich mich schon länger beschäftigt, auf anderen musste ich mich zuerst einarbeiten  - was mir persönlich großen Gewinn gebracht hat. Ich bin Harald Duhn gerade für solche Fragen besonders dankbar!

Ich hoffe, mich in meinen Antworten einigermaßen verständlich und für einen ersten Überblick ausreichend  ausgedrückt zu haben.  Wer sich mit einem der Themen ernsthafter befassen will, für den gibt es eine große Zahl geeigneter Bücher, von denen ich meine Favoriten aufgelistet habe,   sowie das Internet.

Beim Formulieren der Antworten habe ich mich darum bemüht, dass jede Antwort für sich genommen verständlich ist. Andererseits sollte es möglich sein, den Text von der ersten bis zur letzten Frage durchzulesen, ohne auf all zu viele Wiederholungen zu stoßen; ganz vermeiden ließen sie sich nicht.

Auch die Illustrationen stammen von mir. Ich habe mich für montierte Porträts von Wissenschaftlern oder anderen Personen entschieden, die in meinen Antworten eine Rolle spielen. Sollte ich dabei unabsichtlich ein Bild verwendet haben, für das Copyright besteht oder dessen Verwendung aus anderen Gründen unerwünscht ist, so bitte ich um Nachricht: Das Bild wird dann umgehend ausgetauscht.

Zum Schluss geht noch einmal mein herzlicher Dank an Harald Duhn für die freundliche Begleitung dieses Textes.

Im Frühjahr 2014                                                                                         Heinz G. Klug
 

1    Vom Sinn des Universums

Steven Weinberg  -  Martin Rees

Steven Weinberg erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten zu den
ersten drei Minuten nach dem Urknall, er äußert sich auch zu welt-
anschaulichen Fragen. Martin Rees ist "Astronomer Royal", er hat
u.a. ein Buch zur Frage der Naturkonstanten veröffentlicht.

Grafik: Leonardo da Vinci – Vitruvianischer Mann




 Frage 1:  Vom Sinn des Universums

In der Philosophie sind Gedanken über den Sinn der Existenz der Welt überhaupt, des Universums aufgekommen. Ein möglicher Sinn, vielleicht auch Zweck der Welt scheint aus ihrem Bestand an Materie und aus deren Verteilung im Raum und ihren Gestaltungen, sei es tote oder lebende Materie, nicht deutlich zu werden. Täuscht dieser Eindruck vielleicht, kann aus wissenschaftlichen Erkenntnissen eventuell ein anderer Eindruck erwachsen oder zumindest als nahe liegende Möglichkeit in Betracht gezogen werden?
 

Antwort auf Frage 1

Nein, die Wissenschaft hat keine Antwort auf die Frage nach dem Sinn des Universums. Sinnfragen sind in der Wissenschaft unüblich, gelten gar als verboten. Wissenschaft fragt mit "Warum?" nach Ursachen und Gesetzmäßigkeiten, mit "Wie?" nach Abläufen.

"Sinn" ist vorgestellter Handlungserfolg. Sinn kann die Handlung eines Menschen haben oder die eines intelligenten Tieres, wenn z.B. eine Rabenkrähe sich einen Drahthaken biegt, um damit einen Leckerbissen aus einer engen Röhre nach oben zu ziehen. Ein Werkzeug hat einen Sinn – der Gebrauch den sich der Werkzeugmacher vorgestellt hat. Aber ein Berg, ein Orkan, eine Supernova können keinen Sinn haben.

Umgangsprachlich kommt vielleicht in der Evolutionslehre die Frage nach dem Sinn z.B. eines auffälligen Körperschmuckes wie dem Rad des Pfaus vor, aber gemeint ist damit die Frage "Warum konnte sich ein solches, doch für das individuelle Lebewesen gefährliches Merkmal in der Evolution durchsetzen?"

In die Nähe eines Sinnkonzeptes geraten Wissenschaftler mit dem "Anthropischen Prinzip". Als "schwaches Anthropisches Prinzip" ist es eine Trivialität. Man darf sich nicht wundern, dass ausgerechnet wir Menschen auf einem Planeten leben, der intelligentes Leben zulässt – ließe die Erde kein intelligentes Leben zu, wären wir nicht hier um uns zu wundern .... Als "Starkes Anthropisches Prinzip" aber sagt es aus, das Universum (jedes denkbare Universum!) sei vorbestimmt intelligentes Leben hervorzubringen. Das Prinzip ist umstritten, wird von den meisten Wissenschaftlern abgelehnt, da es nichts wirklich erklärt und nicht falsifiziert werden kann.

Der Physiker und Nobelpreisträger Steven Weinberg nannte das Anthropische Prinzip einen „mystischen Mumpitz“, und   Alan Guth, auf den die Inflationstheorie des Urknalls zurückgeht,  sagte „.... an das Anthropische Prinzip  halten sich Leute, denen nichts besseres einfällt“.

Der gleiche Steven Weinberg stellte fest: " Je begreiflicher uns das Universum wird, um so sinnloser erscheint es auch. Doch wenn die Früchte unserer Forschung uns keinen Trost spenden, finden wir zumindest eine gewisse Ermutigung in der Forschung selbst. Das Bestreben, das Universum zu verstehen, hebt das menschliche Leben ein wenig über eine Farce hinaus und verleiht ihm einen Hauch von tragischer Würde. "

Nun muss man hier fairerweise das Problem der "Feinabstimmung der Naturkonstanten" erwähnen. Naturkonstanten sind Zahlenwerte oder Zahlenverhältnisse, die in Naturgesetzen auftauchen und nicht weiter erklärbar sind. Der Königliche Englische Hofastronom Martin Rees hat darauf hingewiesen, dass unsere Welt ganz anders aussehen würde und kein Leben hervorbringen könnte, wenn man sechs solcher Naturkonstanten auch nur wenig verändern würde ("Just Six Numbers" heißt sein Buch). Die sechs Zahlen betreffen:

  • Das Verhältnis Nzwischen den elektrischen Kräften, welche die Atome zusammenhalten, zu der Gravitationskraft zwischen ihnen (eine Zahl mit 36 Stellen); wäre das Verhältnis wesentlich kleiner, dann wäre das Universum sehr kurzlebig;
  • "Epsilon" legt die Bindungskraft im Atomkern fest und kontrolliert damit auch die Bildung schwerer Atome in den Sternen, Voraussetzung für unsere Existenz ( Epsilon = 0,07; bei 0,06  oder 0,08 könnten wir nicht existieren);
  • "Omega" misst das Verhältnis aller Massen im Universum im Verhältnis zu  jener Masse, mit der das Universum "flach" ist und, langsamer werdend, ewig expandieren kann. (Wäre nach dem Urknall Omega nicht sehr genau = 1 gewesen, wäre das Universum schon wieder zusammengebrochen oder so schnell expandiert, dass sich gar keine Galaxien hätten bilden können);
  • "Lambda" beschreibt die "Dunkle Energie", welche die Expansion des Weltalls antreibt wie eine Antigravitation. Erst seit rund 7 Milliarden Jahren macht sie sich in zunehmend schnellerer Expansion des Universums bemerkbar (Wäre Lambda größer, wäre des Weltall so schnell expandiert, dass sich keine Galaxien hätten bilden können);
  • Die Zahl D gibt das Verhältnis zwischen der Energie, die man aufwenden müsste um die großen gravitativ gebundenen kosmischen Strukturen aufzulösen (Haufen, Super-haufen von Galaxien), zu der Energie der Ruhemasse in diesen Strukturen (E = m x c2).Sie ist verantwortlich für die kosmischen Strukturen, die aus den winzigen Dichteschwankungen des frühen Kosmos hervorgegangen sind. D liegt in der Größenordnung 10-5. Wäre D nur 10-6, hätten sich gar keine gravitativ gebundenen Strukturen herausgebildet. Wäre D wesentlich größer als 10-5, wären schnell Schwarze Löcher von der Masse ganzer Galaxiencluster entstanden.
  • Die Zahl der räumlichen Dimensionen: 3 (Leben wäre bei 2 mit Sicherheit unmöglich, bei 4 vermutlich)


Der Autor dieses Textes erlaubt sich eine siebte Zahl hinzu zu setzen:

  • Beim Urknall müssten eigentlich  Materie- und Antimaterie-Teilchen  in gleicher Zahl entstanden sein. Tatsächlich hat es einen kleinen Überschuss an Materie gegeben, andernfalls hätte sich alle Materie und Antimaterie in einer einzigen Energieexplosion gegenseitig vernichtet. Je Milliarde Teilchenpaare, die sich vernichteten, blieb ein normales Teilchen übrig. Eine schlüssige Erklärung gibt es noch nicht.


Diese unsere Existenz ermöglichende Feinabstimmung der Naturkonstanten, auch nach dem englischen Märchen als "Goldilock-Rätsel" bezeichnet, wird bisweilen als Hinweis auf eine gezielt gestaltende Kraft hinter dem Universum gedeutet.

Zur möglichen Lösung des Problems der Feinabstimmung der Naturkonstanten auf rein wissenschaftlicher Basis vergleiche man Frage 4!

Es muss wohl dabei bleiben: Die Naturwissenschaft gibt keinen Hinweis auf den Sinn der Welt – die Welt ist wie sie ist! Damit geht es der Naturwissenschaft nicht besser als der Philosophie und der Religion.

Die Philosophie gibt heute zu, dass sie die Frage nicht beantworten kann – gut so! Die Religion behauptet zwar den Sinn der Welt zu kennen, aber sie kennt ihn durchaus nicht: Keine Religion kann sagen, zu welchem Zweck Gott die Welt erschaffen hat – er hätte es ja auch lassen können. Die Behauptung der christlichen Kirchen, Gott habe das Universum geschaffen, damit auf irgendeinem kleinen Planeten Menschen ihn anbeten, macht Gott verächtlich:  Ein wahrer Gott schafft sich doch keine Jubelperser und Claqueure, und schon gar nicht so jämmerliche und verbrecherische!

2    Das Problem des Urknalls

Edgar A. Poe – Willem de Sitter – Alexander Friedmann
Georges E. Lemaitre
Edwin Hubble – George Gamov – Alan Guth

Diese Männer – der Dichter, die Physiker, der Priester - entwickelten Konzept und Theorie des Urknalls. Vermissen Sie Einstein? Er lieferte das Handwerkszeug, die Allgemeine Relativitätstheorie!
Frage 2:    Das Problem des Urknalls

Es gibt die wissenschaftliche Theorie, dass die Existenz des sichtbaren Weltalls mit einem Ereignis begonnen habe, das als Urknall bezeichnet wird und das vor einer geschätzten Milliardenzahl von Jahren stattgefunden habe. Es wird dazu auch die Theorie aufgestellt, dass erst von diesem Anfangsereignis an von Raum und Zeit die Rede sein könne oder dürfe, dass es also aus wissenschaftlicher Sicht kein Vorher des Urknalls gäbe. Dem steht die evident scheinende philosophische Überlegung entgegen, dass der Urknall nicht ohne einen bereits physikalischen Vorlauf stattgefunden haben kann. Wie stellt sich hierzu die heutige Kosmologie?
 

Antwort auf Frage 2

Unser Erkenntnisapparat – die Art, wie wir die Welt wahrnehmen und wie wir das Gesehene interpretieren – ist durch unsere Evolution geprägt und wird durch unseres alltägliches Leben eingeübt. Wissenschaftsfelder wie Quantenphysik, Relativitätstheorie und Kosmologie beschäftigen sich mit Fragen, die weit außerhalb unseres gewohnten Erlebens liegen. Die Wissenschaft hat lernen müssen, dass unsere alltäglichen Vorstellungen dort nicht mehr tragen. Sie akzeptiert das – manchmal sehr widerwillig! Die Welt richtet sich nicht nach unseren Erwartungen  – was, nebenbei bemerkt, ein starker Hinweis darauf ist, dass es da eine Realität gibt, die nicht von uns abhängt.

Auch in der Geschichte der Erforschung des Urknalls gab es immer wieder ein Nicht-zur-Kenntnis-Nehmen-Wollen.

Zunächst einmal ein kurzer Abriss der heutigen Standardtheorie:

  • Das Universum begann vor 13,72 Milliarden Jahren als „Singularität“ , unvorstellbar konzentriert in einem mathematischen Punkt. Unsere Begriffe von Raum und Zeit sind hier nicht anwendbar. Unsere physikalischen Theorien versagen.
  • Beschreibbar wird der Urknall erst ab der „Planck-Zeit“  (10-43 Sekunden) und der „Planck-Länge“ (10-33 cm). Zu diesem Zeitpunkt waren die vier im Universum wirkenden Kräfte (Gravitation, Starke Kernkraft, Schwache Kernkraft, Elektro-magnetische Kraft)  noch zu einer Superkraft verschmolzen. Aber schon innerhalb der ersten zehnmilliardstel Sekunde differenzierten sie sich aus.
  • In den ersten Sekundenbruchteilen konnte sich in einer "langsamen" Anfangsphase die Temperatur ausgleichen; es folgte eine als „Inflation“ bezeichnete schnelle Aufblähung des Universums um den Faktor 1050, sie brachte das heute sichtbare Universum etwa auf die Größe einer Orange. Danach erfolgte die Ausdehnung langsamer: nach einer tausendstel Sekunde hatte das Universum etwa die Größe unseres Sonnensystems.
  • Parallel lief die Formierung der Materie. Zunächst fand sie sich in Form freier Quarks, diese fügten sich jeweils zu dritt zu Protonen und Neutronen. Nach 100 Sekunden war die Bildung der Atomkerne von Wasserstoff (inklusive der schweren Variante Deuterium rund 75% der Gesamtmasse) und Helium (rund 25% der Gesamtmasse) vollzogen, dazu gab es geringe Mengen von Bor, Beryllium und Lithium.
  • Die zunächst unvorstellbar hohe Temperatur (1 Hundertstel Sekunde nach dem Urknall noch 100 Milliarden Grad) sank in den ersten 380 000  Jahren so weit, dass die Atomkerne Elektronen an sich binden und Atome bilden konnten. Mit dem Verschwinden der freien Elektronen wurde die Streuung der elektromagnetischen Strahlung drastisch reduziert: das Universum wurde durchsichtig, die Strahlung konnte sich ungehindert fortpflanzen. Ursprünglich war sie eine „Schwarzkörperstrahlung“ entsprechend den  3000°K , die das Universum angenommen hatte  (die Oberfläche unserer Sonne ist mit 5778°K etwas heißer und heller).  In der Folge unterlag sie der Expansion des Universums und wurde auf eine Strahlungstemperatur von 2,7° Kelvin gedehnt: die „Kosmische Hintergrundstrahlung“ im Mikrowellenbereich.
  • Die im Urknall eingeleitete Expansion setzt sich fort. Hierbei handelt es sich aber nicht um einen explosionsartigen Vorgang bei dem Materie in einen vorgegebenen Raum geschleudert wird. Vielmehr dehnt der Raum selbst sich aus. Nach 400 Millionen Jahren entstehen die ersten Sterne. Galaxien und Galaxienhaufen werden durch die Gravitation zusammengehalten, jedoch der Abstand zwischen ihnen wächst. Die entferntesten Lichtquellen, die wir heute als Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung wahrnehmen können, waren bei der Aussendung ihres Lichtes nur 42 Millionen Lichtjahre von unserer Position im Raum entfernt. Mit der Expansion des Weltraums haben sie sich weiter von uns entfernt. Heute, nach 13,7 Milliarden Jahren, wird ihre tatsächliche aktuelle Entfernung mit 46-47  Milliarden Lichtjahren errechnet: Der Durchmesser des "beobachtbaren" Universums ist heute rund 93 Milliarden Lichtjahre. Die Geschwindigkeit der Ausdehnung nahm zunächst ab, nimmt seit 7 Milliarden Jahren aber wieder zu.



  • Soweit das Standardmodell der Kosmologie. Seine Vorgeschichte war nicht geradlinig und sagt einiges darüber aus, wie Wissenschaft funktioniert.

    • Eigentlich war schon lange vor Beginn des 20. Jahrhunderts klar, dass das Universum nicht ewig und unveränderlich sein konnte. 1692 hatte der englische Geistliche Richard Bentley den großen Newton auf das „Paradox“ hingewiesen, dass dank der Gravitation das Universum eigentlich zusammenstürzen müsse; Newton musste eine „göttliche Macht“ bemühen um den Zusammensturz zu verhindern.  Wilhelm Olbers formulierte um 1800 das nach ihm benannte, aber schon früher bekannte „Paradox“, dass in einem unendlichen und ewigen Universum der Nachthimmel blendend hell sein müsse, weil man dann in jeder Richtung einen Stern sehen würde.
    • Dennoch – quasi gegen besseres Wissen – hielten die Astronomen bis zum Beginn des 20.Jahrhunderts  an der Vorstellung eines im Großen und Ganzen unveränderlichen, in Raum und Zeit unendlichen Universums fest.
    • Nicht ein Physiker sondern der amerikanische Autor von Grusel- und Kriminalgeschichten Edgar Allan Poe gab 1848 als erster die richtige Erklärung für das Olbers’sche Paradoxon und formulierte in „Eureka – A Prose Poem“ eine Art Urknalltheorie: Das Universum begann punktförmig; es ist gar nicht genug Zeit vergangen dass Licht aus einem unendlichen Universum hätte zu uns kommen können.
    • Erst im 20. Jahrhundert lieferte Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie das Handwerkszeug um sich mit dem Universum als Ganzem auseinander zu setzen.
    • Willem De Sitter (1917) und Alexander Friedmann (1922) zeigten, dass ein expandierendes Weltall eine viel überzeugendere Lösung für die Einsteinchen Gleichungen ist als ein statisches. Einstein aber war von einem statischen Universum überzeugt.  Um es zu retten,  gab er einer freien Konstante seiner Gleichungen willkürlich einen passenden  Wert (genannt „Kosmologische Konstante“),  - ein Mogelfaktor,  den er später einmal als größte Eselei seines Lebens bezeichnete. Vielleicht zu Unrecht - heute taucht die Größe unter dem Stichwort "Dunkle Energie" wieder auf, wenn es darum geht, die jetzt zunehmende Expansionsrate des Universums zu erklären.
    • 1929 entdeckte Edwin Hubble die andauernde Expansion des Weltalls. Einstein gab auf.
    • 1927 schlug der belgische Priester und Astronom Georges Edward Lemaitre vor, dass ursprünglich alle Materie  und Energie des Universums in einem „Superatom“ vereinigt war, aus dessen Explosion das Universum hervorging.
    • George Gamow und der junge Ralph Alpher erklärten 1948  überzeugend die Bildung von Wasserstoff und Helium im beobachteten Verhältnis  im Urknall. Gamow sagte voraus, vom Urknall müsse eine das ganze Weltall erfüllende Strahlung übrig geblieben sein,  seine Mitarbeiter Alpher und Robert Herman errechneten 1948, dass sie einer Schwarzkörperstrahlung von 5°K entsprechen müsse.1965 entdeckten die amerikanischen Radioingenieure Arno Penzias und Robert Wilson rein zufällig diese Hintergrundstrahlung mit einer Temperatur von 2,7 Grad. Die zufälligen Entdecker erhielten den Nobel-Preis, Gamov und seine Mitarbeiter gingen leer aus.
    • Lange Zeit bekämpfte der englische Physiker Fred Hoyle die Urknall-Theorie. Sein Favorit war die „Steady-Stade“-Theorie. Er klärte  aber wie die schweren Elemente im Inneren der Sterne gebildet wurden, und schloss damit eine wesentliche Lücke in Gamows Theorie. Nach der Entdeckung der Hintergrundstrahlung gab er auf.
    • Steven Weinberg konnte die Prozesse in den ersten 3 Minuten beschreiben. Alan Guth lieferte mit dem Konzept der „Inflation“ die Erklärung für die Homogenität des Weltalls („Horizontproblem“) und seine geometrische Flachheit.
    • 2002/3 lieferte die Weltraumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) eine detaillierte Karte der Mikrowellenhintergrundstrahlung. Analyse der WMAP-Daten zeigte, dass das Universum geometrisch flach ist, wie vorher schon vermutet.
    • Die WMAP-Daten lieferten auch einen Hinweis darauf, dass die gewöhnliche sichtbare Materie nur 4% des Materie/Energieinhaltes des Universums ausmacht. 23% entfallen auf „Dunkle Materie“ ungeklärter Natur. 73% aber bestehen aus „Dunkler Energie“, eine völlig unbekannte Energieform, die sich unsichtbar im Vakuum des Weltraums verbirgt – aber über das langfristige Schicksal des Universums entscheiden kann, denn sie treibt das Universum auseinander. Formal  gesehen entspricht sie Einsteins "Kosmologischer Konstante".


    Die "Entstehung aus dem Nichts" bleibt eine irritierende  Vorstellung, zumal sie von Religiösen gerne als Schlupfloch für die Einführung eines Schöpfergottes genutzt wird.

    Es gibt Hypothesen, welche das Problem vermeiden:

    Nach dem Konzept des Branwelten-Universums (siehe Frage 4) ist das höherdimensíonale  Universum ewig und unverändert, Branwelten wie unser Universum treiben darin herum und unterliegen  zyklischen Prozessen.

    Relativitätstheorie und Quantenphysik versagen an der Singularität. Der deutsche Physiker Martin Bojowald hat eine Theorie initiiert, der amerikanische Forscher Abhay Ashtekar hat sie mit Kollegen ausgearbeitet, die bei der Annäherung an den Urknall nicht mehr versagt. Ihre "Schleifen-Quantengravitation" besagt, dass Raum und Zeit nicht kontinuierlich verlaufen, sondern aus einem Gewebe kleinster Schleifen bestehen. Sie widersetzen sich der Bildung einer wirklichen Singularität. Damit ist ein klassisches Universum möglich, das sich auf kleinstmögliches Maß zusammenzieht und dann wieder urknallartig zu dem Universum expandiert, in dem wir leben. Ähnlich argumentiert Victor Stenger, nach dem unser Universum aus einem vorhergehenden entstanden sein kann durch "Tunneln" durch die chaotische "Planck-Phase".

    Ashtekars Hypothese ist umstritten, Belege liegen nicht vor. Die Beobachtung von Gravitationswellen soll Entscheidungshilfen zwischen den verschiedenen Modellen liefern.
     

    3    Der erste Anfang des Universums

    Stephen Hawking

    Stephen Hawkins ist berühmteste Physiker unserer Zeit,
    Erforscher des Kosmos und seiner Schwarzen Löcher.
    Frage 3:    Der erste Anfang des Universums

    Es gibt das Paradoxon des ersten Anfangs. Es besagt, dass einerseits alles irgendwann einmal angefangen haben müsste, dass jedoch andererseits für jeden ersten Anfang die Frage unvermeidlich ist, was vor ihm war, was ihn, den Anfang, möglich gemacht hat (jedenfalls nie ein Nichts). Kann die Wissenschaft der Logik hier helfen, kann sie das auch gerade kosmologisch relevante Paradoxon auflösen? Oder besteht das Universum, allen Urknall-Theorien zum Trotz, doch ewig?
     

    Antwort auf Frage 3

    Die Frage nach dem "Vorher" beruht auf der Vorstellung eines zeitlichen Ablaufs. Der entspricht zwar unserem Alltagserleben und unseren Denkkategorien, muss aber in der Extremsituation des Urknalls nicht gelten. Wir sollten vorsichtig damit sein auf etwas zu bestehen, nur weil unser "gesunder" oder auch der philosophische Menschenverstand sich sträubt davon zu lassen.  Mit der engen Annäherung an den Urknall (von heute aus gesehen) verlieren Zeit und Raum ihre gewohnten Eigenschaften. Damit werden ganz andere Modellvorstellungen möglich.

    Insbesondere müssen wir beachten, dass in der Nähe des Urknalls die Massendichte so hoch wird, dass unbedingt die Allgemeine Relativitätstheorie berücksichtigt werden muss  - und die macht bekanntlich dem "gesunden Menschenverstand" reichlich Schwierigkeiten. Raum und Zeit sind nicht unabhängig voneinander, sondern im "Raum-Zeit-Kontinuum" aufs engste miteinander verknüpft.  Gleichzeitig   aber werden die Abstände so gering, dass unbedingt die Quantenphysik beachtet werden muss  - und die ist für  unseren  "gesunden  Menschenverstand" nicht minder schwierig!

    Stephen Hawkins hatte 1969 zusammen mit Roger Penrose nachgewiesen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie für sich genommen dazu führt, dass der Punkt des Urknalls der  Beginn der Zeit ist. Demnach werden Fragen nach dem "Vorher" physikalisch sinnlos.

    Später verband Hawkins die Relativitätstheorie mit der Quantenphysik und fand, dass bei der Annäherung an den Urknall  (von heute her gesehen) das Raum-Zeit-Gefüge sich drastisch ändert. So wie wir kein Problem haben, uns eine geschlossene  gekrümmte Fläche ohne Anfang und Ende vorzustellen (z.B. die Erdoberfläche) und uns an die Vorstellung gewöhnt haben, der Raum könne unter dem Einfluss der Gravitation in sich gekrümmt sein (was er allerdings nicht ist – das Universum insgesamt ist flach, der Raum lokal in der Nähe großer Massen gekrümmt), genau so kann die Zeit in der Nähe des Urknalls sich wie eine Raumdimension verhalten. Die Raumzeit ist dann so stark gekrümmt, dass es keinen Anfang der Zeit mehr gibt.
     

    Jetzt zu einer "Entstehung aus dem Nichts"!

    In der Quantenphysik ist es durchaus "normal", dass Quantenobjekte aus dem Nichts – zumindest aus dem leeren Raum – entstehen. Der "leere Raum" brodelt von kurzlebigen Teilchen unterschiedlicher Energie, ihre Existenz ist nachweisbar.  Je energiereicher sie sind, desto kurzlebiger. Dass etwas aus leerem Raum entsteht, ist also durchaus nicht ungewöhnlich.

    Nun ist  ein ganzes dauerhaftes Universum, das aus leerem Raum entsteht, gewiss "ein anderer Schnack". Berücksichtigt man die Energie aus der Gravitation, so wird es möglich. Leerer Raum muss nicht einmal die Ausgangsbasis sein – auch Raum und Zeit können spontan entstehen.

    Der Physiker Lawrence M. Krauss fasst seine eigenen Erkenntnisse und die des Kosmologen Alex Vilenkin wie folgt zusammen:

    • Im Reich der Quantengravitation können und werden immer wieder Universen aus dem Nichts entstehen. Solche Universen müssen nicht leer sein, sondern sie können Materie und Strahlung in sich haben, so lange ihre Gesamtenergie, einschließlich der mit der Gravitation verbundenen negativen Energie, gleich Null ist.
    • Damit geschlossene Universen, die durch einen solchen Mechanismus entstehen, länger als beliebig kurze Zeit existieren, ist etwas wie die Inflation nötig. Als Resultat ergibt sich, dass ein lange Zeit existierendes Universum,  in dem man auf Grund eines solchen Scenarios zu leben erwartet, flach erscheinen muss, gerade so wie das Universum in dem wir tatsächlich leben.


    Die Aussage ist klar: Quantengravitation scheint nicht nur zu er-lauben, dass Universen  aus dem Nichts entstehen (wobei "Nichts" hier die Abwesenheit von Raum und Zeit bedeutet), sie könnte sie sogar erfordern. Nichts – in diesem Fall kein Raum, keine Zeit, absolut nichts! – ist instabil.

    Warum gibt es überhaupt etwas und nicht nichts? Der Physiker/Astronom Victor Stenger hat versucht abzuschätzen, ob "Etwas" oder "Nichts" wahrscheinlicher sei – er kam zu dem Ergebnis, dass die Wahrscheinlichkeit für "Etwas" bei 60% liegt (seine Thesen sind nicht unumstritten).

    Fasst man diese Erkenntnisse, dazu die verschiedenen Multiversum-Varianten (Frage 4) und die Aussagen Abhay Ashtekars aus der Hypothese der "Schleifen-Quantengravitation" (Frage 2) zusammen, so ergibt sich eine recht breite Auswahl an Möglichkeiten, die Schöpfung aus dem Nichts ihres Schreckens zu berauben. Ob sich eine davon  durchsetzen wird, das ist noch offen.

    Für den mathematisch unzureichend gebildeten Laien (wie den Verfasser dieses Textes) ist keine der Varianten nachvollziehbar – ein abschließendes Urteil ist heute nicht einmal dem Fachmann möglich. Gefühlsmäßig sind uns alle Varianten fremd – aber man darf nicht erwarten dass sich das Universum nach unserem Alltagsverstand richtet. Entstehung aus dem absoluten Nichts ist für uns nicht vorstellbar – zumindest die Möglichkeit muss ja vorhanden sein, damit etwas  - ein Universum! – entstehen kann – und eine Möglichkeit ist doch nicht nichts?! Offensichtlich kommt hier unser Denkvermögen an eine Grenze. Der Philosoph bekennt sich hier als Agnostiker , der Naturwissenschaftler forscht unverdrossen weiter ....

    4    Multiversum - Hypothesen

    Hugh Everett

    Hugh Everett entwickelte die "Viele-Welten-Deutung" der Quantentheorie.

    Grafik: Grandeville




    Frage 4:   Multiversum-Hypothesen

    Man hört von der Theorie, dass es nicht nur das eine Universum gäbe, in dem wir uns subjektiv vorfinden, sondern dass dieses, zum Teil sichtbare, Universum vielleicht nur eines von mehreren sei oder dass es in einem größeren, umfassenderen  Universum stecke. Was wird für diese Theorien als Beleg angeführt?
     

    Antwort auf Frage 4

    In der Tat: Multiversum-Theorien sind zur Zeit populär. Mit Belegen kann keine aufwarten!

    Man sollte solche Überlegungen auch besser nicht als  Theorien, sondern  als "Hypothesen" – Vermutungen -  bezeichnen. (Einiges verdient sogar eher nur die Bezeichnung "Spekulation".)

    Diese Hypothesen entstehen auf unterschiedlichen Arbeitsfeldern, arbeiten mit ganz unterschiedlichen Ansätzen und sind gewöhnlich nicht untereinander verträglich. Dennoch ist eine Übersicht nicht ohne Interesse.    Brian Greene beschreibt 8 (acht) solche Konzepte; wir fassen die noch konkretesten  davon kurz zusammen.

    Unendliche Wiederholung
    Wir wissen heute dass das Universum im Rahmen unserer Beobachtungsmöglichkeiten flach ist (große Massen wie Schwarze Löcher krümmen den Raum nur lokal!). Das legt den Gedanken an unendliches Universum nahe, beweist es aber nicht. Der beobachtbare Bereich ist endlich (1081 Atome). in diesem Sinne sind in einem unendlichen Raum unendlich viele von einander unabhängige Bereiche (Universen) möglich.  Die Quantenobjekte in einem endlich großen Volumen können aber nur eine endliche Zahl möglicher Verteilungen einnehmen. In einem unendlich großen Universum muss sich also sogar unser eigenes Universum beliebig oft wiederholen! Das Risiko, dass wir unserem Doppelgänger begegnen, ist gering: John D. Barrow schätzt seine Entfernung auf 1010exp28 m!

    Universen durch Permanente Inflation
    Die heute gängigste Vorstellung von der Entstehung und Entwicklung unseres Universums nimmt für die frühsten Sekundenbruchteile nach dem Urknall eine Phase extrem schneller Expansion an: die „Inflation“ (vgl. Frage 2). Was die Inflation enden lässt wissen wir nicht. Führen Quantenfluktuationen dazu, dass die Inflation nicht überall gleichzeitig endet, dann können sich winzige Bereiche zu einem eigenen Universum aufblähen. Neue Universen können aus alten durch Knospung hervorgehen.
    Bei konsequenter Verfolgung des Gedankens entsteht die Vorstellung von stetig neu entstehenden  Universen. Diese können ganz unterschiedliche Naturgesetze und Naturkonstanten aufweisen und damit ganz unterschiedliche Entwicklungen nehmen. Einige wenige Universen sind fähig Leben hervorzubringen; in einem solchen Universum leben wir. Damit ist das sogenannte „Goldilock“-Rätsel gelöst, die Frage, warum unser Universum auf die Hervorbringung von Leben auf einem kleinen Planeten so fein abgestimmt ist. Wir sind auf das "Schwache Anthropische Prinzip" zurückgeworfen.

    Universen in anderen Dimensionen
    Die noch nicht voll ausgebildete Superstringtheorie nimmt an, dass die Grundbestandteile der Welt schwingende „Strings“ oder Membranen sind. Die Schwingungsform eines Strings legt fest welches Teilchen er darstellt. Die Theorie nimmt Schwingungen einer Membran in 11 Dimensionen an, woraus sich schwingende Strings in 10 Dimensionen ergeben;  wir nehmen nur 3 Dimensionen wahr, weil die anderen winzig „aufgerollt“ sind. Es scheint, dass die Theorie eine nahezu unendliche Zahl unterschiedlicher Universen beschreibt. Da kein Auswahlkriterium bekannt ist  kann man auch annehmen dass alle diese Universen tatsächlich nebeneinander in einem „Hyperspace“ existieren. Wir nehmen sie nicht wahr da sie in unterschiedlichen Dimensionen existieren. Als Mechanismus zur Herstellung solcher Universen könnte die Permante Inflation dienen. Auch bei dieser Variante ist das Rätsel der Feinabstimmung der Naturkonstanten auf das "Schwache Anthropische Prinzip" zurückgeführt.

    Universen auf Branen, zyklische Universen
    In einer Variante der Stringtheorie spricht man von "Branen" (Wort abgeleitet von "Membran"), die eine unterschiedliche Zahl von Dimensionen haben können. Eine "3-Bran" entspricht unserem 3-dimensionalen Universum. Mehrere 3-Branen können in einem höher-dimensionalen Raum nebeneinander existieren. Sie können zusammenstoßen, zurückprallen (was sich wie ein Urknall äußert) und einen neuen Zyklus beginnen.

    Universenbildung durch Quantenprozesse
    Die Quantenmechanik ist eine außerordentlich erfolgreiche Theorie von extrem hoher Genauigkeit. Was sie aber „eigentlich bedeutet“, ist seit mehr als 80 Jahren umstritten. Die verschiedenen Deutungen haben erstaunlicherweise keinen Einfluss auf ihre praktischen Aussagen.

    Im Reich der Quanten gelten andere Gesetze als im Alltag. (mehr dazu bei Frage 11).  Quantenobjekte bewegen sich als Wahrscheinlichkeitswellen, erst bei der Interaktion z.B. mit einem Messapparat tritt ein eindeutiger Zustand ein.

    Nach der 1957 von Hugh Everett  vorgeschlagenen Deutung treten alle möglichen Zustände auch tatsächlich ein, das heißt, die Welt spaltet sich unablässig auf in unterschiedliche parallele Welten ("Viele-Welten-Deutung").

    Holographische Universen
    Die Realität könnte auf einer fernen Grenzfläche stattfinden, alles was wir in den drei Raumdimensionen wahrnehmen ist eine Art holographischer Projektion.  Unser Universum ist damit die physikalisch äquivalente Projektion eines parallelen Universums.

    Simulierte  Universen
    Danach existiert unser Universum nicht wirklich, sondern ist eine mathematische Simulation, durchgeführt durch weit überlegene Intelligenzen.  Natürlich  kann es ggf. viele solche  simulierten Universen geben. Die Idee erinnert an erfolgreiche Filme wie "Welt am Draht" und "Matrix". Eine perfekte Simulation ist von innen heraus – von ihren simulierten Bewohnern - nicht durchschaubar.

    Noch einmal: keines der denkbaren Multiversen ist bewiesen, keines lässt sich heute widerlegen. Da die Existenz abgeschlossener anderer Universen per definitionem nicht beweisbar und nicht falsifizierbar ist, wird von einigen Forschern bestritten, dass es sich überhaupt um wissenschaftliche Aussagen handelt. Man könnte auf die Existenz abgeschlossener anderer Universen mit gewissem Recht nur dann schließen, wenn sie sich zwangsweise aus einer mächtigen, sonst als bewiesen angesehenen Theorie ergäbe.

    Es gibt allerdings einen Ansatz, dass höhere Dimensionen sich durch das Verhalten der Gravitation bei extrem kleinen Abständen verraten; dazu werden Versuche unternommen, haben aber bislang keine Bestätigung gebracht.
     

    5    Nachweis belebter Exoplaneten

    Johannes Kepler

    Johannes Kepler formulierte die Gesetze für die Bewegung der Planeten um die Sonne.
    Zum Broterwerb erstellte er Horoskope; im Bild das Horoskop Wallensteins.

    Porträt: Maler unbekannt

    Frage 5:     Nachweis belebter Exoplaneten

    Die Religionen, die als Schöpfer und eigentlich auch als ständig präsenten Veranstalter des Weltunternehmens einen personalen Gott proklamieren, der nach Menschenart denkt, fühlt, handelt – wir Menschen seien umgekehrt nach seiner Art strukturiert - , unterstellen, dass wir bewussten Bewohner des Planeten Erde, der eigentlich im Universum eine völlig unbedeutende Existenz fristet und uns nur deshalb zufällig bekannt ist, weil wir uns auf ihm vorfinden, diese Religionen sehen uns zugleich im Mittelpunkt des gottgeschaffenen und damit gottgewollten Kosmos und meinen, dass der proklamierte Schöpfergott gerade uns im Auge habe und sich nach dem Tode auch unserer Seelen annehmen würde. Für diese althergebrachte Auffassung ist es von elementarer Bedeutung, ob es möglicherweise neben unserem Planeten irgendwo im Universum ganz ähnliche weitere Planeten geben kann, ebenfalls bewohnt, auch mit bewussten, religiös denkenden Lebewesen. Es ist kosmologisch bereits erwiesen, dass es so genannte Exoplaneten gibt, auch solche, die sich zu ihren Zentralsternen in einer erdähnlichen Nähe befinden. Um mit solchen möglichen kosmischen Leidensgenossen in Verbindung zu treten, besteht aber das Problem der für die kosmischen Entfernungen allzu geringen und nach Auffassung der Relativitätstheorie nicht überschreitbaren Geschwindigkeit auszusendender Signale, so dass wir, was vielleicht ja auch gewollt sein kann, in einem Kommunikationsgefängnis sitzen. Kann die Wissenschaft bereits jetzt verlässliche Belege für extraterrestrisches Leben liefern oder sprechen umgekehrt womöglich Anhaltspunkte dafür, dass wir, wie religiös angenommen, als denkende Wesen tatsächlich allein im Kosmos sind (bloße Wahrscheinlichkeiten, die hier viel diskutiert werden, müssen für die Beantwortung der Frage unberücksichtigt bleiben)?
     

    Antwort auf Frage 5

    Im Jahre  1600  wurde  Giordano Bruno in Rom auf dem Scheiterhaufen verbrannt. Warum? Er hatte (unter anderem)  seine Überzeugung verkündet, dass das Universum unendlich sei und auf unendlich vielen Welten intelligente Wesen Gott priesen. Das konnte man in einem Rom nicht akzeptieren, wo man sich im Vatikan im Zentrum der Welt wähnte.

    Bis in die 1990er Jahre war es eine reine Frage der Spekulation ob die Erde ein absoluter Sonderfall sei oder ob es – wie die meisten Astronomen vermuteten - um viele Sterne herum Planetensysteme gebe, womöglich mit Planeten, die für die Entwicklung von Leben geeignet sind. Inzwischen  (bis Januar 2014)  wurden  1075 Exoplaneten nachgewiesen. Der Nachweis war anfänglich nur durch Beobachtung des Pendelns des Zentralsternes bei seiner Bewegung um den gemeinsamen Schwerpunkt Stern /Planet möglich; die Methode erlaubte nur die Entdeckung sehr großer Planeten (Jupitertyp).

    In einigen wenigen Fällen konnten solche Planeten auch optisch beobachtet werden :


    Das erste Foto eines Exoplaneten, ESO European Southern Observatoty.)

    Mit dem Weltraumteleskop „Kepler“ werden seit 2009 kontinuierlich 100000 sonnenähnliche Sterne auf die kleinen Helligkeitsschwankungen beobachtet die sich ergeben, wenn ein Planet vor dem Zentralstern vorbeizieht (Man muss also ziemlich genau in der Bahnebene beobachten!). Bis Herbst 2013 waren bereits über 100 Planeten entdeckt die potentiell erdähnlich sind ("Supererden"). Als aussichtsreichste Kandidaten für einen belebten Planeten wurden Gliese 581g (Entfernung 20 Lichtjahre, Existenz umstritten) und Kepler-22b (600 Lichtjahre) identifiziert. Der kleinste bisher nachgewiesene Exoplanet ist Kepler 87b, ein Gesteinsplanet  wenig größer als unser Mond.   Die Größenverteilung  der  Exoplaneten nähert sich immer mehr der in unserem Sonnensystem an. 2013 wurde ein System entdeckt, in dem 7 Planeten den Zentralstern (KOI 351) umkreisen, mit Steinplaneten auf den inneren und Gasplaneten auf den äußeren Bahnen; das System ist enger zusammengedrängt als das in der Reihenfolge der Planeten ähnliche System der Sonne.

    Besonders häufig umkreisen erdähnliche Planeten "Rote Zwerge". Dazu ein Zitat der ESO:
    "Unsere neuen Beobachtungen mit HARPS zeigen, dass wohl etwa 40% aller roten Zwerge von einer Supererde umkreist werden, die sich in der habitablen Zone des Sterns befindet – also in dem Abstandsbereich, in dem flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche vorkommt”, so Xavier Bonfils vom IPAG - Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble in Frankreich, der Leiter der Studie. “Weil rote Zwerge so häufig sind – in der Milchstraße gibt es etwa 160 Milliarden – führt uns das zu der erstaunlichen Schlussfolgerung, dass es alleine in unserer Milchstraße mehrere zehn Milliarden solcher Planeten gibt.”

    Es spricht also alles dafür, dass es eine sehr große Zahl  von  Exoplaneten mit Eignung für Leben gibt. Irgendwelche Belege für Leben auf Exoplaneten aber gibt es bislang nicht. Bedenkt man die riesigen Entfernungen und dass bislang nur einzelne solcher Planeten überhaupt  optisch beobachtet werden konnten, ist das nicht verwunderlich. Ein starker Hinweis  für Leben könnte eine Atmosphäre mit Sauerstoff sein, denn dieses Element ist so reaktionsfreudig, dass es in kurzer Zeit in Gesteinen gebunden und damit aus der Atmosphäre verschwunden wäre, wenn es nicht ständig durch Photosynthese nachgeliefert würde. Am eindeutigsten wäre es  natürlich, wenn Funksignale intelligenter Lebewesen aufgefangen werden könnten, was aber bis heute nicht gelungen ist (Programm SETI).

    Zu Recht weist der Fragesteller Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen zurück. Harald Lesch hat vor ein paar Jahre die sogenannte "Greenbank-Gleichung" von 1961 ausgewertet, mit der die Zahl kommunikationsfähiger Zivilisationen in der Milchstraße abgeschätzt werden sollte. Die ganz große Unsicherheit kommt hinein bei der Frage, ob denn jedes Leben sich zu einer intelligenten, kommunikationsfähigen Form entwickelt, und wie lange eine derartige Zivilisation besteht. Lechs Ergebnis streute zwischen optimistischen und pessimistischen Annahmen von 200 Millionen bis herunter auf ganze 4. Solche Aussagen haben  keine Beweiskraft.

    Etwas anderes ist es, wenn man "nur" nach dem Vorkommen von Leben überhaupt fragt. Wenn überall die gleichen Ausgangsmaterialien vorliegen, überall die gleichen Naturgesetze gelten und die Entstehung des Lebens ein natürlicher Vorgang ist (wovon die überwältigende Mehrheit der Wissenschaftler überzeugt ist), dann dürfte es auf einer Vielzahl von Exoplaneten Leben geben.

    Dabei sollte man sich daran erinnern, dass auf der Erde, vor 4,5 Milliarden entstanden,  Leben sich schon nach 0,7 Milliarden Jahren bildete, aber über 2 Milliarden Jahre nur Bakterien und Archäen existierten. Bakterien mögen "primitiv" erscheinen, aber sie sind bis heute die erfolgreichste irdische Lebensform überhaupt (Jeder Mensch trägt etwa 1,5 kg Bakterien in sich herum, zahlenmäßig viel mehr als er Körperzellen hat!). Erst im Kambrium (vor 540 bis 490 Millionen Jahren)  setzte die Entwicklung zur Vielfalt der heutigen "höheren" Lebensformen ein. Diese Evolution war wohl "kontingent", es musste nicht notwendig mehrzelliges und irgendwann intelligentes Leben entstehen. Auf vielen Exoplaneten könnte dies die Situation sein: Es gibt Leben, aber das Leben hat den Schritt zur Mehrzelligkeit nicht getan.

    Wie sagte doch der große SF-Autor Arthur C. Clarke?
    „Entweder wir sind allein im Universum oder wir sind es nicht.
    Beide Gedanken sind erschreckend.“

    Ein Schöpfergott, der ein Universum mit einigen 100 Milliarden Galaxien von jeweils einigen 100 Milliarden Sternen schafft, nur um eine einzige Art  nackter Affen in irgendeiner Ecke  dieses  Universums entstehen zu lassen, die ihm zujubelt -  das ist einfach eine groteske Vorstellung. Sie zeugt vom Größenwahn dieses Primaten.
     

    6    Entstehung des Lebens, Leben im Universum

    Alexander Oparin – Stanley L. Miller
                        Harold C. Urey - Günter Wächtershäuser

    Vier aus einer großen Zahl von Wissenschaftler, die wesentliche Beiträge zur Erforschung der "chemischen Evolution" geleistet haben, dem Übergang vom Unbelebten zum Belebten.




    Frage 6:   Entstehung des Lebens, Leben im Universum

    Zur möglichen Singularität der Menschheit kann noch das folgende Problem bedeutsam werden: Es hat Experimente gegeben, aus anorganischer Materie einfachstes  Leben zu generieren, also Makromoleküle mit der im anorganischen Material nicht vorstellbaren Fähigkeit der Reduplikation. Waren diese Versuche erfolgreich? Wenn das Ergebnis für eine generelle kosmische Möglichkeit der Entstehung von Leben unter geeigneten Bedingungen sprechen sollte, könnte das ein Beleg dafür werden, dass überall im Universum Leben vorhanden sein kann und dann vermutlich auch vorhanden sein wird. Ist man mit derartigen Experimenten weiter gekommen und haben sie genauere Einschätzungen der wahrscheinlichen Lebensverbreitung im Kosmos ergeben?

    Antwort auf Frage 6

    Die klare Frage nach Erfolg oder Nicht-Erfolg verdient eine klare Antwort: : Nein, es ist bisher nicht gelungen auch nur einfachstes Leben zu generieren. Zur Lagebeschreibung müssen wir etwas ausholen.

    Wenn wir nach Leben im Universum fragen, sollten wir uns vorweg klar darüber sein was wir eigentlich suchen:  der Begriff "Leben" ist gar nicht so einfach zu definieren.  Wir können ohnehin nur von "Leben wie wir es kennen" reden: Leben, das auf der Fähigkeit von Kohlenstoff basiert Makromoleküle zu bilden (Leben auf Silizium-Basis gibt es in der Science Fiction, die Realisierbarkeit ist zweifelhaft).

    Zu den Merkmalen des irdischen Lebens gehören:

    • Abgrenzung nach außen durch eine Membran oder Haut.
    • Wahrnehmung von Signalen aus der Umwelt und Reaktion
    • Aufnahme von Energie und Stoffen aus der Umwelt.
    • Stoffwechsel in der Zelle: Photosynthese zum Aufbau von Kohlehydraten, Speicherung von Energie in Adenosintriphosphat  ATP, Oxidation (Verbrennung) von Kohlehydraten zur Energienutzung.
    • Aufbau von Zellmaterial, Wachsen.
    • Erhaltung eines chemischen/ thermischen Gleichgewichtes..
    • Kontrolle aller Vorgänge durch einen Informationsträger:  Speicherung aller Anweisungen auf DNA.
    • Weitergabe der Informationen  bei der Zellteilung/ Fortpflanzung (Replikation).


    Wo stammt das organische Material her? Man denkt in diesem Kontext sogleich an die Versuche von Urey und Miller. Alexander Oparin hatte die theoretischen Möglichkeiten untersucht. Urey und Miller folgten seinen Gedankengängen und mischten 1953 etwas zusammen, was als „Ursuppe“ bekannt wurde. In einem Glaskolben wurden Methan, Ammoniak, Wasser und Kohlendioxid erhitzt, womit man die Ur-Atmosphäre darstellen  wollte.   Elektrische Entladungen simulierten Blitze. Ergebnis: Es entstanden in diesen und späteren verfeinerten Versuchen vielerlei auch komplizierte organische Verbindungen, allerdings keine wirklichen Kettenmoleküle. Die Versuche selbst haben an Relevanz verloren, weil heute Wasserdampf und Kohlendioxid als Hauptbestandteile der Ur-Atmosphäre angesehen werden; hier versagt der Urey-Miller-Versuch. Er hat aber gezeigt, dass die Entstehung des Lebens aus unbelebtem Material experimenteller Behandlung zugänglich ist.

    Einige wichtige spätere Schritte im Experiment waren:

    • Sidney W. Fox zeigte, wie sich Mikrosphären aus Protenoiden bilden können.
    • Thomas R. Cech und Sidney Altman zeigten, dass RNA (siehe unten) zum autokatalytischen Spleißen in der Lage ist: Eine längere RNA-Kette zerschneidet sich selbst und fügt die Enden wieder zusammen.
    • Günter von Kiedrowski und Julius Rebek stellten erste sich selbst replizierende Systeme her.
    • Juan Oro konnte Adenin und und Guanin synthetisieren, zwei der Basen in der DNA-Doppelhelix.
    • Craig Venter synthetisierte DNA für ein Bakterium
    • University of California und Harvard ließen sich selbst aufbauende Zellwände entstehen
    • Forscher an der Universität Nijmegen schufen  eine eukariotische Zelle mit Organellen.


    Es ist also in der Tat möglich, unter geeigneten Versuchsbedingungen vielerlei organische Substanzen und Strukturen zu erzeugen. Aber die Ausgangsmaterialien  mussten vielleicht nicht einmal alle auf der Erdoberfläche entstehen: Im Weltall gibt es große interstellare Wolken, die eine Vielfalt von organischer Molekülen enthalten. Diese  findet man  auch in Meteoriten, die sich ja aus interstellarem Staub gebildet haben. Der heftige Beschuss der Erdoberfläche mit Meteoriten in den ersten Hunderten von  Millionen Jahren nach der Entstehung könnte für reichlich Material gesorgt haben.

    Am wenigsten klar ist die Entstehung der die Erbmerkmale kodierenden DNA, Voraussetzung der "Replikation", der Hervorbringung gleichartiger Kopien.  Es gibt begründete Vermutungen, dass anfänglich nicht DNA, sondern die etwas einfachere und zur Selbstformatierung fähige RNA entstand. Heute dient sie vornehmlich als Informationszwischenträger von der DNA zu den Ribosomen und steuert dort die Bildung von  Aminosäuren , die ihrerseits in Proteine (Eiweiße) eingebaut werden. RNA könnte sich in komplizierten Prozessen an katalytisch wirkenden Oberflächen von Ton oder Eisen-Schwefelverbindungen gebildet habe. Die "Eisen-Schwefel-Welt" wurde von Günter Wächtershäuser entwickelt und ist heute die favorisierte Option.

    Als Ort für solche Vorgänge könnten "Schwarze Raucher" gedient haben.  „Schwarze Raucher“ sind Schlote in der Tiefsee, aus denen heißes, wässriges  Chemikaliengemisch ausströmt (in der Frühzeit der Erde muss es viel mehr solcher Schlote gegeben haben). Heute sind diese Schlote von einer Zone vielfältigen Lebens umgeben, Archäen und Bakterien, aber auch Gliedertiere, Würmer, Muscheln .... An solchen Schloten könnte sich einmal in Ritzen und Spalten schrittweise Leben gebildet haben. Heute dürfte Neubildung von Leben nicht mehr möglich sein, weil bereits höher entwickelte Organismen das neue organische Material aufzehren. Schon Darwin hat auf diesen Umstand hingewiesen, als er in einem berühmten Brief an den Botaniker Joseph Hooker  über einen "kleinen warmen Teich" als Ort der Entstehung des Lebens spekulierte.

    Die urtümlichen Archaen, die neben den Bakterien und den Eukarionten (Zellen mit Zellkern und Organellen, Lebewesen aus solchen aufgebaut) eine ganz eigene Domäne des Lebens bilden, könnten gut in einer solchen Umgebung entstanden sein – sie leben oft unter extremen Bedingungen (über 100°!)

    Zusammengefasst: Wir kennen viele Elemente einer möglichen Lösung, aber noch ergibt sich kein vollständiges Bild. Das Problem ist ja auch deswegen so schwierig, weil die ersten (mikroskopischen) Lebensformen keine Fossilien hinterlassen haben; wir wissen also gar nicht genau, nach was wir suchen!

    Zur Frage des Lebens im All:

    Die Wissenschaft geht davon aus, dass überall im Universum die gleichen Naturgesetze gelten und die gleichen Ausgangsmaterialien zur Verfügung stehen. Es gibt 100 bis 400 Milliarden Galaxien im beobachtbaren Universum,  in jeder Galaxie gibt es typischerweise 100 Milliarden bis eine Billion Sterne.  Die ungeheuer große Zahl an möglichen Planeten spricht dafür, dass auch andernorts Leben entstanden sein dürfte. Freilich müssen dabei enge Bedingungen eingehalten werden, damit "Leben wie wir es kennen" entstehen kann (Temperatur, Verfügbarkeit von flüssigem Wasser). Nur Planeten in einem engen Bereich des Abstands zum Zentralstern können diese Bedingungen erfüllen ("Bewohnbare Zone", "Goldilock-Zone"). Intelligentes Leben könnte sich durch Funkverkehr verraten, der Weltraum wird seit vielen Jahren darauf überwacht (Programm SETI), bislang ergebnislos. Zyniker meinen allerdings es zeuge eben gerade nicht von Intelligenz, wenn man seine Existenz durch hemmungslosen Funkverkehr dem Universum annonciert wie wir es tun – ohne zu wissen wer uns zuhört.

    7          Die Abstammung des Menschen –
                   Evolution oder göttliche Schöpfung

    James Watson – Francis Harry Compton Crick – Maurice Wilkins

    Watson, Crick und Wilkins klärten 1953 den Aufbau der DNA und damit den biochemischen Mechanismus der Vererbung, Grundlage der Evolution. 1962 erhielten die drei den Nobelpreis für Medizin.




    Frage 7:    Die Abstammung des Menschen –
                      Evolution oder göttliche Schöpfung

    So genannte christliche Fundamentalisten behaupten, fußend auf der Bibel, dass der Mensch nicht von Primaten abstamme, also in der Evolution des Lebens zunächst überhaupt nicht vorgesehen gewesen, sondern durch einen göttlichen Akt mitten in die bereits entwickelte irdische Lebenswelt hineingesetzt worden sei. Dieser glaubensveranlassten Theorie kann philosophischerseits nicht einfach mit dem Argument der Absurdität oder dem der zu vermutenden biologischen Unkenntnis der biblischen Autoren entgegengetreten werden, weil auch Absurditäten und auch beliebige Bibelbehauptungen, die nicht evident wissenschaftlich erkannten Fakten entgegenstehen, in einer rundum rätselhaften Welt zutreffen können, nur dass man an sie nicht glauben muss. Stehen also den hier gemeinten Behauptungen der Fundamentalisten hart zu belegende Fakten entgegen?

    Antwort auf Frage 7

    1857 – zwei Jahre vor Darwins Grundlagenwerk " Die Entstehung der Arten"  - veröffentlichte Philip Henry Gosse, angesehener Naturalist und Mitglied einer fundamentalistischen christlichen Sekte, ein Buch mit dem er ein für alle mal den Widerspruch zwischen Wissenschaft und christlichem Schöpfungsglauben aus der Welt zu schaffen glaubte. Dass das Leben sich irgendwie entwickelt hatte, dass Berge und Täler Ergebnis von  lange schon und immer noch weiter wirkenden Kräften war, das wurde von den Gebildeten nicht mehr bezweifelt.  Gosses eigene "Omphalos -Theorie" besagte, Gott habe die Welt , wie in der Bibel geschrieben, erst vor wenigen Tausend Jahren geschaffen und zwar so, dass sie in jeder Beziehung den Eindruck erweckt, eine lange Geschichte hinter sich zu haben – Fossilien inklusive! Diese Aussage ist grundsätzlich nicht zu widerlegen, dennoch trug sie dem Autor Spott und Feindschaft ein: Er hatte Gott zu dem größtmöglichen Fälscher und Betrüger gemacht. (Anmerkung: "Omphalos" ist Griechisch und bedeutet "Nabel". Gosse bezog sich auf den mittelalterlichen Scholastiker-Streit ob Adam und Eva einen Nabel hatten.)

    Heute gibt es, insbesondere in den USA, noch Kreationisten, welche die Bibel wörtlich nehmen und krampfhaft die geologischen, paläologischen und biologischen  Befunde umdeuten. Die Vertreter des "Intelligent Design"  sind geschickter und sagen, die Schöpfungstat Gottes zeige sich dadurch, dass Gott die Evolution kontinuierlich steuere; nur er könne die außerordentliche Komplexität der Lebewesen zustande bringen.

    Leider sind Lebewesen nicht in jeder Beziehung "intelligent" konstruiert. Organe oder Körperteile können im Laufe der Evolution nicht neu erfunden werden, sie können nur aus vorhandenen Körperteilen abgeleitet werden, und jede Zwischenstufe muss sich bewähren! Hier ein paar Beispiele dafür, wo der große "intelligente Designer" zum Pfuschen gezwungen war:

    • Menschen fortgeschrittenen Alters wie dem Autor muss man (leider) nicht ausführlich darstellen, dass Rücken, Hüftgelenke, Knie, Füße Schwachpunkte der „Konstruktion Mensch“ sind –  "Kollateralschäden" des aufrechten Ganges.  Wir schleppen auch nutzlose oder potentiell gefährliche Körperteile mit uns herum: die Brustwarzen der Männer, die Mandeln, den Blinddarm.
    • Oder man denke nur einmal daran dass bei uns Speiseröhre und Luftröhre sich überkreuzen!!! Wie viele Leute sind wegen dieser Fehlkonstruktion schon erstickt! Ein menschlicher Konstrukteur würde für so eine Fehlleistung seinen Arbeitsplatz verlieren.
    • Oder man nehme den  Nerv, der vom Gehirn zum Kehlkopf führt: Er muss zuerst nach unten, sich um eine Aorta beim Herzen schlingen, und dann wieder hoch!  Wie viele  unnütze Meter sind das bei einer Giraffe?! Um die beiden letzten Beispiele zu erklären, muss man in der Reihe unserer Vorfahren bis zu den Fischen zurückgehen.
    • Oder: Welcher menschliche Konstrukteur käme auf die Idee, die lichtempfindlichen Zellen des Auges nach hinten, hinter die Nerven zu legen und bei der Durchleitung der gebündelten Nervenfasern nach hinten den „Blinden Fleck“ zu erzeugen, den wir gewöhnlich nur deswegen nicht bemerken weil unser Gehirn die Lücke interpoliert? Dieser eigentlich verkehrte Aufbau des Auges müsste nicht sein – bei den Weichtieren ist es anders herum!


    Tatsächlich kann man  bei den Weichtieren gut studieren, wie sich ihr Auge entwickelt hat: Flachauge – Grubenauge – Becherauge – Lochkamera-Auge – Linsenauge – Auge mit veränderlicher Linse. Jedes Auge funktioniert, tut den Tieren, die es nutzen, ausreichende Dienste.  Wenn die Kreationisten behaupten, das Auge sei ein so wunderbares  Organ und hänge so sehr vom perfekten Funktionieren aller seiner Bestandteile ab, dass es nur als komplettes Gebilde dem Geist eines Schöpfergottes entsprungen sein könne ... dann ist das schlicht Unsinn. 10% Sehkraft ist besser als blind .. 20% ist besser als 10% .... das Auge hat sich in kleinen Schritten entwickelt wie jedes andere Organ auch.

    Damit sind wir bei den Belegen für die Evolution des Lebens.

    Da sind die langen Reihen der Fossilien; die Ähnlichkeiten im Körperaufbau; die Beobachtungen der Embryonik; die Feststellungen der Biogeografie. Da sind zahlreiche aktuelle Beobachtungen in der freien Natur wie im Labor (Richard Lenski: Versuche mit Escherichia coli, John Endler: mit Guppies), das Funktionieren  der Haustierzucht, die Arbeiten Dimitri Belyaevs (der in nur 35 Generation aus wilden Füchsen zahme Schoßhunde entwickelte).

    Nun akzeptiert die Frage offenbar die Evolution im Allgemeinen, stellt aber eine eventuelle Sonderrolle des Menschen zur Diskussion.

    Was gibt es an Belegen dafür, dass der Mensch wie alles andere Leben Ergebnis von vier Milliarden Evolution ist?

    Zunächst: Die menschlichen Organe funktionieren genau so wie die Organe aller anderen Säugetiere. Viele "unintelligente" Eigentümlichkeiten des menschlichen Körpers sind nur aus seiner evolutionären Vergangenheit erklärbar (s.o.). Die Ähnlichkeit im Körperbau zu den Affen fällt jedem Zoobesucher ins Auge. Auch im Verhalten zeigen gerade die Primaten im Zoo zur Freude der Besucher große Ähnlichkeit zum Menschen, was durch Feldforschung immer weiter belegt wurde. In der Embryoentwicklung  durchläuft der menschliche Embryo genau die gleichen Phasen wie jeder Affe. Bisweilen werden Kinder mit einem kleinen Schwanz geboren, die Erbanlage dafür ist offenbar noch vorhanden.
     
     


    Nach http://britannica.com/EBchecked/topic/275670/human-evolution  - ergänzt

    Fossilien aus den letzten 7 Millionen Jahren sind nicht so zahlreich, dass man einen detaillierten Stammbaum aufstellen könnte. Aber sie zeigen den großen Verlauf der Entwicklung: Aufrechter Gang (Australopithecus afarensis – Fußspuren von Laetoli, Tansania!),  Verfeinerung der Steinwerkzeuge und Gebrauch des Feuers (Homo habilis, Homo ergaster), seit 2 Millionen Jahren Vergrößerung des Gehirns ( Homo erectus, Homo sapiens).

    Den stärksten Beweis liefert die Genetik. Darwin war sich der Vererbung von körperlichen und Verhaltensmerkmalen sicher, aber er kannte den Mechanismus nicht. Dass die DNA in den Chromosomen die Erbmerkmale trägt, wurde bereits am Beginn des 20. Jahrhunderts klar. Aber erst 1953 konnten Watson, Crick und Wilkins den Aufbau der berühmten "Doppelhelix" klären: Es sind strickleiterähnliche,  kompliziert aufgewickelte Makromoleküle.


    Könnte man die DNA einer einzigen Zelle auseinander ziehen und aneinander spleißen, käme man auf einen dünnen Faden von fast  2 m Länge! Ihre Abschnitte sind als "Gene" für die Weitergabe der Erbanlagen verantwortlich. Alle Lebewesen benutzen auf der Doppelhelix die gleiche Codierung, so dass man DNA-Abschnitte von einem Lebewesen in die DNA eines anderen einbauen kann – und sie funktionieren dort! Beispiel für die gezielte Anwendung solcher Gentechnik: Das menschliche Gen für die Bildung von Insulin  wurde 1982 in das Bakterium Escherichia coli eingeschleust. Fortan  in „Fermentern“ vermehrt, produzieren diese Bakterien  menschliches Insulin.  Weniger erfreuliches Beispiel: Regelmäßig dringen Viren, die kaum mehr sind als isolierte DNA, in die Erbmasse gesunder Zellen ein und programmieren sie um, so für ihre eigene Vermehrung sorgend.

    Circa 60 bestimmte Gene finden sich in allen lebenden Organismen. Nur 1,5 % der Basenpaare (das sind die "Buchstaben" der DNA) des Genoms unterscheiden sich zwischen Schimpanse und Mensch; der Mensch ist der nächste Verwandte des Schimpansen, nicht der Gorilla! Der Vergleich von folgenlosen Änderungen im Genom, die mit bestimmter zeitlicher Rate erfolgen ("Molekulare Uhr"), zeigt dass Mensch und Schimpanse sich vor sechs Millionen Jahren getrennt haben.


    Hat da etwa Gott nach dem Vorschlag von Philip Henry Gosse die Beweise gefälscht?!

    8    Gab es Adam und Eva wirklich?

    Ernst Mayr – Julian Huxley – Theodosius Dobzhansky

    Mayr, Huxley und Dobzhansky entwickelten die  Synthetische Evolutionstheorie.

    Gemälde: Peter Paul Rubens: Adam und Eva (verändert)




    Frage 8:   Gab es Adam und Eva wirklich?

    Diese Frage klingt etwas verrückt: Adam und Eva spielen als die von Gott geschaffenen Ureltern aller Menschen in Judentum, Christentum und Islam eine Rolle. Ähnliche Vorfahren gibt es in vielen anderen Religionen und Schöpfungserzählungen. Allgemein ist man geneigt, das schlicht als Mythos abzutun. Dennoch ist die Behauptung aufgetaucht, Adam und Eva habe es wirklich gegeben. Was hat es damit auf sich?
     

    Antwort auf Frage 8

    Als Darwin das Prinzip der Evolution aus Variation und Selektion erklärte, wusste er noch nicht wie Vererbung tatsächlich erfolgt. Erst im 20. Jahrhundert wurde die Situation klarer, so dass um 1940 Theodosius Dobzhansky, Ernst Mayr und Julian Huxley die "Synthetische Evolutionstheorie" entwickeln konnten. Die Rolle von Gen, Genom, Genpool, Individuum, Population und  Art wurde klar.

    In der Gegenwart ist "Art" als eine Fortpflanzungsgemeinschaft definiert. Betrachtet man die Vergangenheit, wird der Begriff unscharf: Der Übergang von einer Art auf eine andere erfolgt in einer Population schleichend. Es hat niemals ein Menschenpaar der Art Homo erectus gegeben, das mit Erstaunen feststellen durfte, dass ihre Kinder der Art Homo sapiens angehörten! Insofern führt die Frage nach einem Gründerpaar "Adam und Eva" ins Leere. Sie ist aber nicht ganz unsinnig.

    In jeder Körperzelle des Menschen finden sich ein Satz von 23 Chromosomen mit 25000 Genen, der vom Vater stammt, und ein entsprechender Satz  von der Mutter. Bei der Bildung der Geschlechtszellen  werden die beiden Sätze durchgemischt, bei der Teilung entstehen zwei Samen- oder Eizellen mit einem einfachen, in seiner Zusammensetzung neuartigen Chromosomensatz ("Meiose"). Bei der Befruchtung entsteht dann wieder eine Zelle mit doppeltem Satz. Die kleinste Einheit, die bei diesem Vorgang unverändert weitergegeben wird, ist das Gen.
    Also: Wenn man nach Abstammungen fragt, dann fragt man nach der Reise von Genen durch viele Generationen hindurch.

    Jeder von uns hat zwei Eltern, vier Großeltern, 8 Urgroßeltern ... Gehen wir 10 Generationen – 250 Jahre – zurück, hat jeder schon 1024 Vorfahren. Im Hochmittelalter war es schon eine Milliarde. Und zur Zeit Karls des Großen 280 Billionen! Das sind 280 000  Milliarden! So viele Leute haben damals natürlich nicht gelebt – in Europa einige 50 Millionen. Also kann nicht jeder seine eigenen Vorfahren haben. Vielmehr: Wir haben viele – sehr viele – Vorfahren gemeinsam.

    Die Frage  nach dem nächsten gemeinsamen Vorfahren  war Gegenstand wissenschaftlicher Analysen. Die Frage wird dort erweitert auf die Frage nach dem nächsten Vorfahren aller Menschen, also dem uns zeitlich nächsten Menschen, der allen heute Lebenden irgendwelches Erbmaterial hinterlassen haben kann, weil sie in direkter Linie verwandt sind.  Dieser Mensch läuft unter der Bezeichnung „MRCA“, d.h. „Most Recent Common Ancestor“.

    Professor Joseph T. Chang hat erste mathematische Untersuchungen angestellt, Douglas L.T. Rohde hat extrem aufwendige Simulationen durchgeführt, unter Berücksichtigung von  Aspekten wie Wanderungsbewegungen und Heiratsgewohnheiten!


    Quelle :commons.wikimedia.org/wiki/File:Spreading_homo_sapiens.jpg

    Das verblüffende Ergebnis:
    Der MRCA aller Menschen lebte vor etwa 3500 Jahren in Asien. (Einschränkung: Es könnte natürlich am Amazonas letzte Stämme geben, die weder von einem Konquistador noch von einem Missionar Erbmasse abbekommen haben; dann lebte der MRCA früher, vor der Besiedelung Amerikas, also vor 12 000 Jahren).

    Der MRCA aller Europäer lebte vor etwa 1000 Jahren.

    Noch etwas Überraschendes ergab sich: Der MRCA ist ja nur der zeitlich nächste  Ahne aller Menschen. Je weiter man in der Zeit zurück geht, desto mehr Menschen sind in direkter Linie unsere Ahnen. Es zeigte sich, dass von den vor etwa 8 000  Jahren lebenden Menschen 80% Ahnen aller heute Lebenden sind, 20% aber keine heute lebende Nachkommen hinterlassen haben.

    Nun haben wir bisher gar nichts darüber gesagt, ob der MRCA eine Mann oder eine Frau war, es war uns völlig einerlei welches Erbgut sie uns hinterlassen haben. Die Frage zielt aber auf einen  Mann (den wir Adam nennen) und eine Frau (die wir Eva rufen).

    Männliches Genom (Quelle: Wikipedia)

    Tatsächlich gibt es ein Erbgut, das den Mann kennzeichnet und nur von Mann zu Mann übertragen werden kann: die kurze Variante des 23. Chromosoms, bekannt als Y-Chromosom. 95% davon rekombinieren bei der Bildung der Geschlechtszellen (Meiose) nicht mit dem X-Chromosom, werden unvermischt als verschnürtes Paket weitergeben. Wenn wir den Weg des Y-Chromosoms zurückverfolgen, kommen wir  dann  bei  einem "Adam" an? Ja, so ist es.  Aber wie kommt es dass nur ein Mann uns sein Y-Chromosom vermacht hat? Hier kommt die sogenannte „Gendrift“ ins Spiel.

    Wenn von alternativen Genen – „Allelen“ – eines sich besonders günstig auswirkt, dann wird es sich in der Population durchsetzen. Bei gleichwertigen Allelen kann nur der Zufall Regie führen – hier gibt es einen Vorgang den die  Genetiker und Evolutionsstatistiker „Gendrift“ nennen: Nach ausreichend Zeit ist nur noch eine Allel übrig. Es ist ein reiner Zufallseffekt. Schwer vorzustellen? Vielleicht hilft ein Vergleich.

    Wenn "Monopoly" nicht von einem gewieften Taktiker gespielt wird, dann ist es ein reines Glücksspiel. Am Anfang stehen alle Mitspieler gleich. Ein Mitspieler nach dem anderen scheidet aus, am Ende bleibt nur einer übrig. Das Spiel kann auch mal hin und her gehen, aber am Ende steht immer ein eindeutiger Sieger. Der Zufall hat dafür gesorgt.

    Was für ein einzelnes Gen gilt, das gilt natürlich auch für eine zusammen reisende Gruppe von Genen, wie das Y-Chromosom.

    Der Effekt funktioniert am besten in einer kleinen Population, zum Beispiel beim Entstehen einer neuen Art in der Gründerpopulation, oder in einem „genetischen Flaschenhals“, wenn die Population aus äußeren Gründen zeitweise sehr klein ist. Die Menschheit ist vermutlich vor etwa 70 000  Jahren durch einen solchen Flaschenhals gegangen, als der Ausbruch des Toba-Supervulkans auf Sumatra das Klima zeitweise so abkühlte, dass nur noch 1000 oder wenige 1000 Menschen lebten. Und nur die Hälfte waren Männer.

    Auch wenn ein Allel (oder eine zusammen weitergegebene Gruppe von Genen) sich durchgesetzt hat, dann bleibt es nicht unverändert, es erfährt weiter Veränderungen. Auch das eine, am Ende verbliebene Y-Chromosom erfuhr im Lauf der Zeit Mutationen.

    Die "Molekulare Uhr", die Rate mit der Chromosomen harmlose Veränderungen erfahren, ist bekannt. Wenn man die Unterschiede in den Y-Chromosomen heutiger Männer untersucht , dann kann abschätzen wann sie sich getrennt haben, und ob sie insgesamt auf einen Mann hinweisen. Das tun sie: der  Adam des Y-Chromosoms  hat vor rund 60 000 Jahren gelebt.

    Ein einziger  Mann ist der Urahn von allen heutigen Männern. Natürlich haben zu seiner Zeit noch andere Männer gelebt, und wir haben sehr wahrscheinlich anderes Erbgut von ihnen bekommen, aber eben nicht das Y-Chromosom.

    Nebenbemerkung: In Asien findet sich bei 8% der Männer ein Typ des Y-Chromosoms, dessen weite Verbreitung mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Dschingis Khan zurückgeht. Der Mann war fleißig – er soll ein paar hundert Kinder gezeugt haben.

    Bei Eva ist der Sachverhalt  noch raffinierter.
     
     


    Prinzip-Aufbau einer Zelle

    Erbmaterial – DNA – gibt es nicht nur in den Chromosomen im Zellkern. In jeder Zelle gibt es zahlreiche "Mitochondrien", die Kraftwerke und Chemiefabriken der Zelle. Die Mitochondrien sind einst aus eingewanderten Bakterien entstanden, und diese Einwanderer haben ihre eigene DNA mitgebracht und behalten. In der Zelle vermehren sie sich eigenständig, und ihre DNA wird bei der Fortpflanzung separat übertragen, indem die Eizelle Mitochondrien mitnimmt. Nur die große Eizelle kann das! Die Samenzellen sind zu klein, da passen keine brauchbaren Mitochondrien hinein. Also: Mitochondrien und ihre DNA können immer nur von einer Frau weitergegeben werden. Auch die Männer haben ihre Mitochondrien von ihrer Mutter bekommen. Mitochondrien-DNA kann also auch  niemals durchgemischt werden.

    Was jetzt kommt, kennen wir schon: Von den zu einem gewissen Zeitpunkt vorhandenen Allelen verschwinden im Laufe langer Gendrift alle bis auf eine, am schnellsten natürlich in kleinen Populationen (und vom Homo sapiens gab es ja eine Zeitlang höchstens ein paar tausend).

    Wann hat Eva gelebt? Auch Mitochondrien-DNA erfährt im Verlauf der Zeit Mutationen, und aus diesen heutigen Unterschieden kann man ableiten wann und wo Eva gelebt hat. Die „Molekulare Uhr“ gibt die Antwort: Die "Mitochondriale Eva" hat vor etwa 150 000 Jahren gelebt – irgendwo in Afrika!

    Gekannt haben sich  Adam und Eva also nicht ....
     

    9     Wissenschaft und die Frage nach der Realität

    Charles Darwin
     

    Darwin klärte das Grundmuster der Evolution: zufällige Variation von Eigenschaften und Selektion durch die Umwelt. Nur wer mit der realen Welt zurechtkommt, kann sich fortpflanzen und seine Fähigkeiten vererben.

    Porträt  Darwin: John Collier    Affen: Gabriel von Max




    Frage 9:   Wissenschaft und die Frage nach der Realität

    Ist es aus Sicht der beteiligten Wissenschaften (Physik, Psychologie) sinnvoll, der Frage nachzugehen, welche die Philosophen quält, was wir nämlich unter der Realität zu verstehen haben – denn irgendeine muss ja existieren, sonst wäre einfach nichts und wären wir auch nicht – und wie unser Bewusstsein, verstanden gewissermaßen als unser Realitätsorgan, zu der mysteriösen Realität steht. Mysteriös ist sie aus Sicht der Philosophie  zum einen, weil wir uns ihre Herkunft nicht erklären können, zum anderen, weil wir als endliche Wesen nur einen zeitlichen Ausschnitt aus der Realität erfassen können und durch das endgültige Versiegen der Bewusstheit wie in einen Traum ohne späteres Aufwachen versetzt sind.
     

    Antwort auf Frage 9

    Nein, die Frage nach der Realität quält die allermeisten Wissenschaftler nicht. Sie nehmen die Welt so hin, wie sie gegeben ist.

    Wissenschaftler gehen von der Existenz einer vom Bewusstsein des Menschen unabhängig existierenden Welt aus. Man mag das als naive Realitätsauffassung ansehen, aber es ist die einzig brauchbare Hypothese für wissenschaftliche Arbeit. Raum und Zeit, Objekte (darunter der menschliche Körper) und Prozesse (darunter der menschliche Geist), untrennbar mit einander verknüpft und isoliert nicht vorstellbar,  sind Teile dieser Realität. Der Mensch erfährt von dieser Welt durch seine Sinne, sein Gehirn hebt das Erleben auf die Ebene des Bewusstseins, dank seines Gehirns kann er die Welt in  immer weiteren Grenzen verstehen, das Gehirn gibt die Anweisungen (bewusste wie unbewusste) um sich handelnd in der Welt zu behaupten.

    Eine hübsche Geschichte dazu wird von dem großen Samuel Johnson erzählt:
     “After we came out of the church, we stood talking for some time together of Bishop Berkeley's ingenious sophistry to prove the nonexistence of matter, and that every thing in the universe is merely ideal. I observed, that though we are satisfied his doctrine is not true, it is impossible to refute it. I never shall forget the alacrity with which Johnson answered, striking his foot with mighty force against a large stone, till he rebounded from it -- "I refute it thus."

    Bisweilen trifft man auf eine etwas abweichende Ansicht zur Realität. Eine  besondere Rolle spielt zum Beispiel das menschliche Bewusstsein in der (nicht mehr sehr populären) „Kopenhagener Deutung“ der Quantenmechanik. Danach entsteht Wirklichkeit erst durch den Akt einer bewussten Beobachtung. Dazu der Physiker Andrei Linde: „ Als Mensch gibt es für mich keine Möglichkeit sinnvoll zu behaupten das Universum sei in Abwesenheit von Beobachtern vorhanden.“ Einstein hingegen pflegte seine abendlichen Besucher auf den Mond hinzuweisen und ironisch zu fragen: „Glauben Sie wirklich dass der Mond nur existiert weil eine Maus ihn ansieht?“

    Ein Wissenschaftler nimmt selbstverständlich an,  dass wir in der Tat aussagekräftige Erkenntnisse über die Realität gewinnen können – das ist die Grundlage seiner Arbeit.  Woher haben wir diese Fähigkeit? Die Sinne selbst wie auch die im Gehirn ablaufende Verarbeitung der Reize wurden im Laufe der Evolution im Rahmen der biologischen Möglichkeiten so entwickelt, dass ihre Aussagen die Realität widerspiegeln - nur so ist Überleben möglich und damit Evolution nach dem von Charles Darwin entdeckten Prinzip von zufälliger Variation und Selektion gemäß den Anforderungen der Lebenswelt. Der Biologe George G. Simpson formulierte: „Der Affe, der keine realistische Wahrnehmung von dem Ast hatte nach dem er sprang, war bald ein toter Affe – und gehört daher nicht zu unseren Urahnen“. Dieser Gedankengang ist als "Evolutionäre Erkenntnistheorie" bekannt.

    Unsere Sinne als primäre Informationsquelle sind beschränkt entsprechend den Bedürfnissen des Überlebens in der Welt. Die Natur treibt keinen überflüssigen Aufwand. Es genügt eine Auswahl an Informationen, und sie ist von Tier zu Tier verschieden: Wir Menschen leben in einer Seh-Welt, Hunde leben in einer Riech-Welt, Fledermäuse leben in einer Hör-Welt ... Man spricht von einer „kognitiven Nische“, nennt sie auch einen „Mesokosmos“.

    Die von den Sinnen empfangenen Informationen interpretiert das Gehirn im Unterbewussten und baut damit ein Modell der Welt in welcher der Mensch sich bewegt.

    Der Übergang von der Wahrnehmung zum Modell lässt sich schön beobachten an dem bekannten „Necker-Würfel“, der dem Gehirn eine Information anbietet, die zwei unterschiedliche, völlig gleichwertige Interpretationen zulässt. Bei längerem Betrachten wechselt das Gehirn zwischen den beiden möglichen räumlichen Interpretationen der  ebenen Zeichnung: ruckartig abwechselnd scheint einmal das linke Quadrat vorne zu liegen (man blickt auf den Würfel von oben), dann das rechte Quadrat (man blickt von unten auf den Würfel).

    Solche Unsicherheiten in der Interpretation der Sinneseindrücke entstehen  vornehmlich in künstlichen Situationen wie beim Neckerwürfel, den es ja nur als Zeichnung gibt.

    Welche außerordentliche Leistung unser Gehirn beim Aufbau unseres Weltbildes leistet, zeigt sich gerade am Sehsinn. Wir bilden uns ein, die Umwelt vollständig und präzise wahrzunehmen. Tatsächlich ist das Bild auf der Netzhaut des Auges nur in einem sehr kleinen Bereich scharf („Gelber Fleck“, größte Konzentration der Sehzellen; der scharf gesehene Bereich entspricht dem Daumennagel am ausgestreckten Arm), daneben wird das Bild schnell unscharf, ganz außen  werden nur noch Veränderungen (Bewegungen) registriert, und dann klafft da noch ein Loch im Bild am „Blinden Fleck“ (Durchtritt der vorne liegenden Sehnerven nach hinten in Richtung Gehirn). Fortwährende Augenbewegungen projizieren immer neue Bereiche der Umwelt auf den Gelben Fleck und erzeugen so die Illusion des Scharfsehens in großem Bereich. Im Gehirn werden die Informationen beider Augen zusammengeführt und die vollständige Wahrnehmung einer äußeren Welt konstruiert.

    Ähnliches gilt auf den höheren kognitiven Ebenen. Wie wir Menschen die Welt wahrnehmen ist mitbestimmt durch das Weltbild, das Interpretationssystem,  das jeder einzelne von uns mit sich trägt, geprägt von dem was er ererbt und auf den verschiedensten Wegen erfahren und gelernt hat. Bisweilen wird behauptet, unsere Sprache beschränke was wir erleben und denken können. Es funktioniert aber doch wohl anders herum: Die Sprache mag zwar beeinflussen,  wie wir die Welt interpretieren. Jedoch ist das Erlebnis der Welt zuerst da, die Sprache spiegelt unser Erleben. Wir alle erleben die Welt in den Kant'schen Kategorien Raum, Zeit, Kausalität, wir erfassen und beschreiben Objekte und Vorgänge nach Prinzipien, die offenbar allen Sprachen gleichermaßen zugrunde liegen. Die Grundlagen zu diesen Fähigkeiten sind vererbt: Schon Kleinkinder von 3-4 Monaten (jünger kann man nicht testen) haben ein Verständnis dafür was ein Objekt ist.

    Unser kognitiver Apparat wurde durch die Evolution als Hilfsmittel zum erfolgreichen Überleben in unserem Mesokosmos selektiert. Dabei wurden seine verschiedenen Fähigkeiten (Wahrnehmen, Unterscheiden, Lernen, Erinnern, Verallgemeinern ... Handeln im Vorstellungsraum....)  weit über das bei Tieren  Erreichte hinaus entwickelt. Durch die Kombination seiner fortgeschrittenen Komponenten erlangte das System eine über die biologischen Bedürfnisse eines Jägers und Sammlers hinausgehende  Fähigkeit: Wir können die Welt über unseren Mesokosmos hinaus verstehen.

    Ganz wichtige Hilfsmittel dazu sind Wortsprache und das Arbeiten mit Zahlen.  Insgesamt erstreckt sich der Forschungsbereich des Menschen über rund 60 Größenordnungen der Dimension „Raum“: von der „Plancklänge“, bei der Raum und Zeit ihre gewöhnliche Bedeutung verlieren und „schaumig“ werden, bis hin zu den Grenzen des beobachtbaren Universums.

    Dabei versucht die Wissenschaft erst gar nicht zu klären was die Objekte der Realität „wirklich sind“, sondern sie beschreibt wie sie sich verhalten. So etwas wie das „Ding an sich“ kommt in der Wissenschaft nicht vor. Der große Mathematiker John von Neumann sagte dazu:
    „Die Naturwissenschaften wollen nicht erklären, sie wollen selten etwas interpretieren, sie schaffen in der Hauptsache Modelle. Mit einem Modell ist ein mathematisches Konstrukt gemeint, das unter Zusatz bestimmter sprachlicher Interpretationen Phänomene der Beobachtungswelt beschreibt. Die Berechtigung eines solchen mathematischen Konstruktes beruht einzig und allein auf der Hoffnung, dass es funktioniert.“

    Niels Bohr formulierte es so: „Es ist falsch, wenn man denkt, die Aufgabe der Physik ist es herauszufinden, wie die Natur ist. Physik handelt von dem, was man über die Natur sagen kann.“

    Dass die Wissenschaft mit ihren Aussagen über die Realität nicht so schief liegen kann, beweist ihre Fähigkeit Vorhersagen zu treffen, was wiederum die Basis für  die außerordentliche Leistungen unserer Technik ist.
     

    10     Wesen und Grenzen der Wissenschaft

    Michael Faraday - James Clerk Maxwell

    Die beiden englischen Physiker klärten die Gesetze von Elektrizität und Magnetismus.




    Frage 10:   Wesen und Grenzen der Wissenschaft

    Die Naturwissenschaft rühmt sich ihrer Erfolge und verweist dazu darauf, dass sie die Grundlagen für die schnelle Entwicklung von Technik und Medizin liefert. Warum aber ist sie erfolgreich? Unterliegt sie denn keinen Einschränkungen –  kann sie etwa ewig weiter fortschreiten?

    Antwort auf Frage 10

    Naturwissenschaft verdankt ihren Erfolg ihrer Bereitschaft, ihre Aussagen  an der Logik und an der im Versuch aufscheinenden Realität zu messen; Philosophie hat die Logik als eigentlichen Maßstab (vernachlässigt aber heute die reale Welt nicht mehr); Religion hat für ihre Aussagen über diese Welt (und erst recht über eine jenseitige) überhaupt keine nachvollziehbare und vertrauenswürdige Kriterien.

    Wissenschaft verdankt ihren Erfolg weiterhin der Möglichkeit und der Bereitschaft, sich immer weiter entwickelter technischer Hilfsmittel zu betätigen.  Gerade im 20. Jahrhundert ist das Arsenal dramatisch erweitert worden, von riesigen Teilchenbeschleunigern wie dem DESY oder dem CERN bis zur bildgebenden Beobachtung des menschlichen Gehirns durch PET (Positronen-Emissions-Tomographie); dazu kam der Computer.

    Mit den Mitteln der Wissenschaft und Technik kann der Mensch über den Mesokosmos unserer Sinne hinausgreifen. Ein schönes Beispiel ist das Sehen:

    Wir nehmen nur elektromagnetische Wellen im Bereich von 380 bis 780 nm (nm= Millionstel mm) wahr, ein winziger Ausschnitt des gesamten Spektrums von den Radiowellen bis zur Gamma-Strahlung. Dies ist kein Zufall: Es ist der Bereich in dem unsere Sonne am stärksten strahlt, der also bei marginalen Verhältnissen noch am besten Abbildungen im Auge erlaubt.  Die unterschiedlichen Wellenlängen des sichtbaren Lichtes werden von der Kombination Auge/Gehirn als „Farben“ interpretiert. (Tiere haben unterschiedliche Fähigkeiten im Farbensehen:  Hunde sehen kein Rot, Bienen sehen kein Rot aber dafür UV, Fische UV bis Rot ....).  Technische Einrichtungen erlauben die indirekte Wahrnehmung des gesamten Spektralbereiches. Auch zur Wahrnehmung sehr kleiner Objekte benutzen wir Instrumente (Mikroskop > Mikroben ..... Rastertunnelmikroskop > Atome). Optische und Radio-Teleskope bringen Informationen  über  das  Universum.

    Wissenschaftliches Denken und Arbeiten kann sehr unterschiedlichen Charakter haben, z.B. als Experimentelle Physik  und als Theoretische Physik. Den Unterschied personifizieren die großen Erforscher der Elektrizität im England des 19. Jahrhunderts: Michael Faraday, der geniale Experimentator und Schöpfer von Bildern wie "Kraftlinien" und "Feld" auf der einen Seite, und James Clerk Maxwell auf der anderen Seite, dessen Gleichungssystem die vollständige Beschreibung der Phänomene von Elektrizität und Magnetismus darstellt, bis hin zur Geschwindigkeit der elektromagnetischen Schwingung "Licht".

    Wissenschaft bemüht sich um objektive Aussagen über die Realität durch nachvollziehbare Versuche und Messungen und durch die Formulierung überprüfbarer Theorien. Diese machen die ihnen zugrunde liegende Modellvorstellungen (Bilder)  mathematisch handhabbar. Die verwendeten Bilder werden dann als eine Beschreibung der Realität aufgefasst, wenn sie zu brauchbaren Theorien führen. Als Ludwig Boltzmann und andere im 19. Jahrhundert die "Kinetische Gastheorie" ausarbeiteten, waren die der Rechnung zugrunde gelegten Atome oder Moleküle rein mathematische Konstrukte, wegen mangelnden Realitätsbezuges von vielen  Wissenschaftlern abgelehnt; heute zweifelt niemand mehr an der Existenz von Atomen, man kann sie sogar sichtbar machen. Als Max Planck "Quanten" einführte, war dies ein Rechentrick zur Beschreibung der sogenannten Schwarzkörperstrahlung; heute kann man im Labor sogar einzelne Lichtquanten (Photonen) herstellen. Planck konnte sich übrigens mit der Quantenphysik von Niels Bohr, Schrödinger usf. nie anfreunden.

    Hier sei ein Hinweis erlaubt:  Im allgemeinen Sprachgebrauch wird häufig „Theorie“ mit „Hypothese“ verwechselt. Eine „Hypothese“ ist eine Vermutung über die Welt die noch der Bestätigung bedarf. Eine „Theorie“ hingegen ist in der Wissenschaft eine vorzugsweise mathematisch präzisierte, den Gesetzen der Logik genügende Aussage über eine möglichst große Gruppe von Erscheinungen, durch Messungen und Beobachtungen verifiziert.  Sie ist eine fundierte Aussage über die Welt.

    Eine gute Theorie ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

    • Sie ist elegant – das heißt auch: so einfach wie möglich.
    • Sie enthält nur wenige freie oder anpassbare Parameter.
    • Sie ist mit allen bereits vorliegenden Beobachtungen verträglich und erklärt sie.
    • Sie erlaubt überprüfbare Vorhersagen über zukünftige Beobachtungen.


    Das Verhalten eines bestimmten Objektes kann gleichzeitig durch verschiedene Theorien/Modelle beschrieben werden, die abhängig von der aktuellen wissenschaftlichen Fragestellung anzuwenden sind (vergleiche die  Welle-Teilchen- Dualität der Quantenphysik). Solche Dualitäten irritieren das auf die Alltagswelt trainierte Gehirn, aber der Wissenschaftler kann problemlos damit umgehen.

    Aussagen, die weder beweisbar noch falsifizierbar sind, können nicht als wissenschaftlich gelten. Nach dem Philosophen Karl Popper ist grundsätzlich nur Falsifizierung möglich, doch wird jeder Wissenschaftler eine Theorie als bewiesen ansehen, wenn sie im vorgesehenen Anwendungsbereich in zahlreichen Versuchen immer die richtigen Vorhersagen macht. Richard Feynmann, einer der größten Physiker des 20. Jahrhunderts, sagte dazu: „Die Wissenschaftsphilosophie ist für den Wissenschaftler ungefähr so nützlich wie die Ornithologie für die Vögel“.

    Versagt eine Theorie, zum Beispiel bei Anwendung auf einen erweiterten Bereich, so muss sie modifiziert oder ersetzt werden. Häufig versucht man, die alte Theorie durch Ergänzungen zu retten. Beispiel: Die Epizyklentheorie der Planetenbewegung um die Erde nach Ptolemäus war eine brauchbare Beschreibung der Realität. Indem man immer mehr Epizyklen aufeinander türmt, kann man sie beliebig genau an die Beobachtungen anpassen. Keplers Ellipsen aber sind weitaus eleganter, benötigen weniger Anpassungsfaktoren, erlauben genauere Vorhersagen der Planetenbewegung aus wenigen Messungen. Deswegen hat sich Keplers Theorie durchgesetzt, lange vor Beginn der Raumfahrt.

    Wissenschaft ist nicht auf das Weitergeben von alten Aussagen beschränkt – sie sucht den Fortschritt der Erkenntnis. Wissenschaft hat allerdings den Vorteil, dass sie Schritt für Schritt auf bereits gesicherten Erkenntnissen und Methoden aufbauen kann. Selten muss sie "mit einem weißen Blatt Papier" anfangen, Wissenschaftler profitieren von den Mühen der Vorgänger. Newton sagte einmal " Wenn ich weiter sehen konnte, so deshalb, weil ich auf den Schultern von Riesen stand." Ob das wirklich eine Äußerung der Bescheidenheit war oder doch nur eine boshafte Bemerkung in Richtung seines kleinwüchsigen Vorgängers auf dem Lucasischen Lehrstuhl in Cambridge, Isaac Barrow, muss angesichts des bekannt unangenehmen Charakters Newtons offen bleiben.

    Wie wird es weitergehen?

    Natürlich ist es vorstellbar, dass das menschliche Gehirn trotz all seiner technischen Hilfsmittel irgendwann einmal nicht weiterkommt, dass sich Wissenschaft asymptotisch einer Barriere der Erkenntnis nähert. Oder gar, dass es keine zu klärenden Probleme mehr gibt. Davon jedenfalls sind wir noch weit entfernt. Auf allen Gebieten der Wissenschaft gibt es eine Fülle noch offener Fragen, an denen gearbeitet wird. Aus dem Bereich der Physik und der Kosmologie seien vier solche Fragen genannt:

    • Die Vereinigung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenphysik ist bislang nicht überzeugend gelungen; das verhindert die weitere Annäherung an den Punkt des Urknalls. Lösungsansätze wie Schleifen-Quantengravitation und Superstring-Theorie haben noch nicht zum Erfolg geführt, bestenfalls zu Näherungslösungen von offenem Wert.
    • Galaxien und Galaxienhaufen würden auseinander fliegen, wenn sie nur von der Gravitationswirkung gewöhnlicher Materie zusammengehalten würden – was die fehlende gravitierende "dunkle Materie" sei, darüber gibt es bislang nur Hypothesen.
    • Die geometrische Flachheit des Universums und seine seit 7 Milliarden Jahren zunehmende Fluchtgeschwindigkeit (Es gibt diese Erkenntnis erst seit wenigen Jahren!) lassen sich formal durch eine "dunkle Energie" erklären, über deren Natur es keinerlei Erkenntnisse gibt. Dass insgesamt 95 % des Inhaltes des Universums ungeklärt sind, ist zutiefst unbefriedigend. (Siehe auch Frage 2).
    • Die gewaltige Zahl von Elementarteilchen, deren charakteristische Daten wie Masse nicht abgeleitet sondern nur gemessen werden können,  von denen aber nur wenige in der Natur eine erkennbare Rolle spielen ("Teilchenzoo"), wird als sehr unglücklich empfunden. Auch hier verspricht die Superstring-Theorie Antworten, hat sie aber bislang nicht geliefert. Die gesuchte "Theorie von allem" ist noch nicht gefunden.


    „Theorie von allem“ meint aber auch nicht wirklich „alles“, sondern eben nur die unterste Elementarteilchenebene. Eine solche Theorie wird völlig ungeeignet sein jene Phänomene zu beschreiben die erst auf einer höheren Ebene überhaupt in Erscheinung treten („Emergenz“). Eine „Theorie von allem“ wird unserer wissenschaftlichen Forschung, unserer technischen Entwicklung, unseren gesellschaftlichen Herausforderungen, unserer künstlerischen Kreativität, unseren individuellen Schicksalsfragen kein Ende setzen. Weder die Wissenschaft noch die Philosophie werden arbeitslos werden.

    Es ist aber durchaus nicht sicher, dass es so eine solche "Theorie von allem" überhaupt gibt. Manche Wissenschaftler glauben, dass jede neue Antwort zu einer neuen Frage führt, dass unter jeder Ebene unseres Verständnisses eine noch tiefere Ebene auf uns wartet – ein unendlicher Regress.

    An dieser Stelle kommt dem Autor eine kleine Geschichte in den Sinn, die er im immer noch lesenswerten Buch "The Key to the   Universe" von Nigel Calder gefunden hat. Frei übersetzt lautet sie so:

    >> Wissenschaftler nehmen einen neuen Teilchenbeschleuniger in Betrieb, ein gigantisches Zyklotron. Voller Spannung starren sie auf Bildschirme und Zähler.
    In diesem Augenblick ruft Gott eine Konferenz seiner Engel zusammen. "Seht ihr was die Leute da unten machen?!" fragt er.
    "Hee.....!" staunt der Erzengel. "Diesmal wollen sie es wirklich wissen! Sie beschießen das Ziel mit Teilchen einer Energie von 10 Tera-Elektronen-Volt!!! "
    "Schaut mich nicht so an," sagt Gott, "der Fall  kam noch nie vor!"
    In der folgenden nachdenklichen Ruhe regt sich ein Engel auf: "Jetzt haben wir schon eine Million Zusammenstöße, und ich weiß nicht was ich tun soll!"
    "Dann stimmen wir jetzt ab!" entscheidet Gott,. "Alle die dafür sind dass wir ihnen ein neues Elementarteilchen spendieren, heben bitte einen Flügel!"
    Unten auf der Erde beginnen die Zähler das Ergebnis der Abstimmung zu registrieren.  <<

    Natürlich ist auch vorstellbar, dass irgendwann Forschung zum Stillstand kommt, weil wir sie nicht mehr bezahlen können.    Oder weil sich die ganze geistige Orientierung der Menschen ändert, sie nicht mehr an Wissen und technischem Fortschritt interessiert sind, sondern nur noch an geänderten Geisteszuständen durch Meditation, Trance, Drogen u.ä. Dann können aber kaum noch 7 Milliarden Menschen auf der Erde leben ...

    11    Mikro- und Makrophysik,
      Zufall und Kausalität

                                                                       Pierre-Simon Laplace
    Erwin Schrödinger – Niels Bohr – Werner Heisenberg

    Ein Vertreter des klassischen deterministischen Weltbildes und drei Schöpfer der Quantenphysik.




    Frage 11:    Mikro- und Makrophysik,
                        Zufall und Kausalität

    Zwischen der Makrophysik, die von kausalen Vorgängen ausgeht, und der Mikrophysik, die für ihren Beobachtungsbereich an Stelle von Kausalitäten Wahrscheinlichkeiten annimmt, besteht bekanntlich für das Verständnis des Laien ein Widerspruch. Dieser wird durch die Tatsache, dass die rein statistisch erfassten atomaren Ereignisse in der großen Zahl zu voraussagbaren kausalen Vorgängen führen, für das Laienverständnis nicht entschärft, sondern unentwirrbar verkompliziert. Welche Verständnishilfen kann die Wissenschaft da anbieten?

    Antwort auf Frage 11

    Der Mathematiker und Philosoph Pierre-Simon Laplace beschrieb ein Universum, das wie ein Uhrwerk funktioniert, mit den berühmten Worten: „Wir müssen also den gegenwärtigen Zustand des Universums als Folge eines früheren Zustandes ansehen und als Ursache des Zustandes, der danach kommt. Eine Intelligenz, die in einem gegebenen Augenblick alle Kräfte kennt, mit denen die Welt begabt ist, und die gegenwärtige Lage der Gebilde, die sie zusammensetzen, und die überdies umfassend genug wäre, diese Kenntnisse der Analyse zu unterwerfen, würde in der gleichen Formel die Bewegungen der größten Himmelskörper und die des leichtesten Atoms einbegreifen. Nichts wäre für sie ungewiss, Zukunft und Vergangenheit lägen klar vor ihren Augen."
                                                                 (Bekannt geworden als der "Laplace'sche Dämon")
     

    In der klassischen Physik hat jedes Ereignis seine eindeutige Ursache. Was uns nun im Alltag als "Zufall" erscheint wie das Ergebnis des Würfelns oder des Roulettes, ist physikalisch gesehen eindeutig determiniert, nur wissen wir die Randbedingungen des Vorganges nicht mit der nötigen Genauigkeit:  für uns ist das Ergebnis zufällig („Subjektiver Zufall“, „Deterministischer Zufall“).  Tatsächlich ist es ziemlich schwierig, für statistische Untersuchungen echte Zufallszahlen zu erzeugen.

    Wenn Kausalketten, die bislang in keinerlei Zusammenhang stehen, sich plötzlich überschneiden, wird aus "Zufall" leicht "Schicksal" (wie beim Ziegel der uns auf den Kopf fällt). Tatsächlich wird sehr viel für uns wichtiges Geschehen im Alltag vom "Zufall" bestimmt; der Mensch aber versucht in solchen Ereignissen ein Muster, einen tieferen Sinn, gar eine Fügung  zu erkennen.

    Ein physikalisches System kann auch  so kompliziert und empfindlich sein, dass eine beliebig kleine Änderung der Anfangsbedingungen zu beliebig großen Änderungen des Ergebnisses führt, obwohl jeder einzelne Schritt kausal begründet ist. Unsere Möglichkeiten der Vorhersage sind dann begrenzt. Das gilt zum Beispiel für das Wetter („Schmetterlingseffekt“,  „Deterministisches Chaos“).

    Mit Ereignissen, für die keine Ursache angegeben werden kann, wurden die Physiker erstmals beim atomaren Zerfall konfrontiert. Von einem radioaktiven Stoff zerfällt innerhalb einer bestimmten Zeitspanne immer  der gleiche  Prozentsatz der vorhandenen  Atomkerne, zum Beispiel innerhalb der „Halbwertzeit“ immer genau die Hälfte der anfangs vorhandenen Atome. Die Halbwertzeit variiert für verschiedene radioaktive Stoffe in sehr weiten Grenzen. Für Kohlenstoff  14C    beträgt sie   knapp 6000  Jahre; daher kann sie in der Archäologie zur Altersbestimmung organischer Reste benutzt werden.

    Der Zerfallsprozess ist statistisch gesehen sehr präzise vorherzusagen. Dagegen ist es völlig unmöglich vorherzusagen welches Atom wann zerfallen wird. Offenbar hängt der Zerfall nicht von irgendwelchen äußeren Einflüssen oder inneren Mechanismen ab sondern erfolgt rein zufällig; man spricht hier vom „irreduziblen“ oder "objektiven"  Zufall.

    Zur Erinnerung  jetzt etwas Grundlagen der Quantenphysik:

    Im Reich der Quanten gelten andere Gesetze als im Alltag. Am klarsten wird dies durch den sogenannten Doppelspaltversuch. Er wurde mit Photonen, Elektronen, Protonen durchgeführt, er funktioniert sogar mit "Buckyballs" – kugelförmigen Molekülen aus  60 Kohlenstoffatomen ( "Buckminster-Fullerene").

    Teilchen gleicher Energie treffen auf einen Doppelspalt. Beim Durchgang müssen nach konventioneller Vorstellung sich die Teilchen  entscheiden, ob sie rechts oder links durchfliegen. Auf einem Bildschirm hinter dem  Doppelspalt müssten sich die Treffer jeweils hinter den beiden Spalten häufen. Das geschieht aber nicht: Auf dem Bildschirm zeichnet sich ein Interferenzmuster ab – Beweis, dass das Teilchen "als Welle gereist ist". Die gängige Deutung: Eine Wahrscheinlichkeitswelle tritt durch beide Schlitze durch und interferiert. Erst bei der Interaktion mit dem Mess-Apparat nimmt das Quantenobjekt eine eindeutige Position ein. Wo es landen wird, ist nicht vorhersagbar, es sei denn, man schränkt seine Freiheit ein,  eine beliebige seiner möglichen Wege zu realisieren, was dann auch wie eine Rückwirkung in die Vergangenheit erscheinen kann ( Wheelers "Delayed Choice" –Versuch).

    Nach Richard Feynmans "Viele-Geschichten" – Interpretation werden  bei der Analyse quantenphysikalischer Vorgänge alle überhaupt nur möglichen Wege berücksichtigt und ihre Wahrscheinlichkeit berechnet und überlagert.

    Nach der „Kopenhagener Deutung“ befinden sich Quantensysteme in einer Überlagerung möglicher Zustände. Erst bei der  Beobachtung entscheidet sich welcher Zustand tatsächlich eintritt.

    Die Vorstellung des objektiven Zufalls hat den Physikern nie gefallen. Sie haben immer gehofft, man werde irgendwann eine Erklärung finden – bislang vergeblich. Und wenn man die Ursache schon nicht identifizieren könne, so müsse es doch „verborgene Variable“ geben die den Vorgang bestimmen, aber nicht erforschbar sind (ihre Existenz kann heute mit einiger Sicherheit ausgeschlossen werden).

    Albert Einstein glaubte bis zum Ende fest an die Existenz verborgener Variabler; von ihm stammt das berühmte „Gott würfelt nicht!“  Worauf Bohr geantwortet haben soll: "Schreiben Sie Gott nicht vor, was er tun soll!"

    Erwin Schrödinger hatte die "Wellenmechanik" entwickelt. Sie beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Quantenobjekt in einem bestimmten Zustand befindet, als fortschreitende Welle; sie ist bis heute Handwerkszeug der Quantenphysik. Schrödinger selbst glaubte nicht an den Zufall, sah sein Verfahren als bequemen Rechentrick. Mit Heisenberg geriet er darüber in Disput, ebenso mit Niels Bohr. Als er bei einem Besuch im Hause von Niels Bohr grippekrank darniederlag und von diesem und seiner Frau liebevoll gepflegt, von Bohr aber in Fachgespräche verwickelt wurde, schimpfte er: "Wenn die verdammte Quantenspringerei doch wieder anfangen soll, dann tut es mir leid, die ganze Theorie gemacht zu haben."

    Nicht nur Laien haben also mit dem echten Zufall ihre Schwierigkeiten.

    Hinzu kommt im Quantenbereich ein anderes: die Heisenberg'sche Unschärferelation.  Danach besitzt ein Quantenobjekt z.B. niemals einen präzisen Ort und eine präzise Geschwindigkeit gleichzeitig. Das ist eine physikalische Grundtatsache, sie macht sich bemerkbar in der Unmöglichkeit beides gleichzeitig zu messen (Es ist kein messtechnisches Problem!). Der Laplace'sche Dämon hat hier von vornherein verloren.

    In der Naturwissenschaft hat man sich an solche Konflikte wie die Welle/Teilchen-Situation gewöhnt – man kann die Natur ohnehin nicht korrigieren. Man nimmt hin, dass die Gesetze der Quantenwelt andere sind als die der Makrophysik.  Mag das Verhalten eines einzelnen Quantenobjektes auch zufällig sein, in der praktischen Anwendung gilt die sehr präzise statistische Aussage – das genügt.

    Was man leicht vergisst: Das Ergebnis einer Messung im Quantenbereich ist immer eindeutig! Wenn bei einem Experiment ein Photon, ein Elektron, ein Proton den Bildschirm trifft, dann immer an einem eindeutigen Ort, der Lichtpunkt verwischt nie, springt nie umher. Vorhersagen sind nur statistisch möglich – das Teilchen reist als "Wahrscheinlichkeitswelle", aber es kommt immer als wohldefiniertes Teilchen an. Dieser Übergang, auch als "Zusammenbrechen der Wellenfunktion" bezeichnet, ist für die Physik weiterhin ein Rätsel,  der Übergang ist nicht modellierbar.  Aber das stört bei der Anwendung nicht!

    Jetzt zum Übergang Mikro – Makro.

    Der Übergang von der Quantenwelt zur Makrowelt ist zum einen tatsächlich ein statistisches Problem. Wenn eine große Zahl von Quantenobjekten im Verbund sich bewegen, dann ergibt sich die klassische (Newtonsche) Bewegung unter allen möglichen Wegen als die bei weitem wahrscheinlichste, zum Beispiel in Feynmans "Viele-Geschichten"- Interpretation.

    Eine andere Beschreibung sagt: Die quantenphysikalische Wellenlänge ist der Masse des Objektes umgekehrt proportional, bei makroskopischen Objekten so winzig, dass die Wellennatur keine Rolle spielt.

    Zum anderen darf man nicht vergessen, dass die seltsamen Effekte der Quantenphysik sich nur im aufwendigen, sauberen Laborversuch zeigen. Makroskopische Systeme sind nie isoliert („geschlossen“). In der realen Welt interagiert jedes größere Objekt mit so vielen unterschiedlichen Quantenobjekten, dass die Sauberkeit des Laborversuches verloren geht.  Nach einer modernen Auffassung, 1970 von dem deutschen Physiker Dieter Zeh entwickelt, ist es die „Offenheit des Systems“, sind es die unablässigen Quantenereignisse der Wechselwirkung eines Objektes mit seiner Umgebung, welche zur „Dekohärenz“ (dem Verschwinden von Überlagerung und Interferenz) führen und dafür sorgen, dass die in der Makrowelt gewohnten Gesetze gelten. „Dekohärenz“ ist ein fortschreitender Prozess und benötigt daher endliche Zeit. Serge Haroche, Paris,  konnte den Prozess experimentell verifizieren.

    Richard Feynman war überzeugt das niemand die Quantenmechanik verstehen könne, obgleich er selbst ja äußerst erfolgreich auf diesem Gebiet gearbeitet hatte: "I can safely say that nobody understands quantum mechanics". Zu seinen Studenten sagte er einmal: „Das Paradoxe ist lediglich ein Konflikt zwischen der Realität und Ihrem Gefühl was Realität sein sollte.“
    Ein andermal:
    "Die Quantenmechanik beschreibt die Natur als absurd vom Standpunkt des gesunden Menschenverstandes. Und sie stimmt voll mit dem Experiment überein. So hoffe ich dass Sie die Natur so akzeptieren können wie sie ist – absurd.“

    Kurz gesagt: Die Wissenschaft kann hier nach bald 100 Jahren Quantenphysik nicht wirklich Verständnishilfen anbieten – man muss sich damit abfinden, dass die Natur nicht dem alten "Sammler und Jäger" zuliebe ihre Gesetze   entschärft.

    Einstein sagte einst resignierend: "Falls Gott die Welt geschaffen hat, war seine Hauptsorge sicher nicht, sie so zu machen, dass wir sie verstehen können."
    (Anmerkung: Einstein benutzte das Wort "Gott" metaphorisch für die "Natur". Er hat sich ausdrücklich dagegen verwahrt, dass man ihm den Glauben an einen personalen Gott unterstellte.)
     

    12    Vom Wesen der Zeit

    Augustinus von Hippo      Aristoteles

    Aristoteles hat sich über das Wesen der Zeit Gedanken gemacht,
    Augustinus hat unserem Verständnisproblem bleibenden Ausdruck gegeben.




    Frage 12:  Vom Wesen der Zeit

    Die Frage nach dem Wesen der Zeit ist für Laien wie für Wissenschaftler ein – vielleicht für immer? - unlösbares Rätsel.  So schrieb schon Augustinus: "Was also ist Zeit? Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es; will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht" (Confessiones XI,14). Kann die Naturwissenschaft dazu Erhellendes sagen?
     

    Antwort auf Frage 12

    Viel besser als Augustinus geht es dem Autor auch nicht. Man kann aber sehr wohl ein paar interessante Beobachtungen berichten.

    Zeit in der Physik

    Zunächst können wir ganz pragmatisch sagen: Zeit ist das, was wir mit Uhren messen. Ein Mechanismus, für dessen ungleichmäßigen Gang es keinen physikalischen oder technischen Anhaltspunkt gibt, produziert in gleichmäßigen Abständen Signale, die wir auszählen und als Maßzahl für die Zeit verwenden. Mit Atomuhren lässt sich ein Gangfehler von 10-15 erreichen, was einer Sekunde Abweichung in 30 Millionen Jahren entspricht.  Tatsächlich ist die Sekunde heute als "das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung festgelegt. Sie wird daher auch Atomsekunde genannt." (Wikipedia).

    Die Zeit hat folgende Merkmale:

    • Zeit hat die Eigenschaften einer Dimension – wenn wir ein Ereignis genau beschreiben wollen, müssen wir seine drei Raumkoordinaten angeben plus seiner Zeitkoordinate. In der Newtonschen Physik gab es im unendlichen Raum eine an jedem Punkt gleiche und gleich schnell fortschreitende Zeit ("absolute Zeit").
    • Während wir uns in den Raumdimensionen beliebig vor und zurück bewegen können, gibt es für die Dimension Zeit nur eine Richtung. Wir können sie in der klassischen Physik nicht beschleunigen oder verzögern.
    • In der Welt der Speziellen Relativitätstheorie gibt es keine absolute Zeit mehr. Vielmehr hängt der Verlauf der Zeit (der Gang einer Uhr), von der linearen Geschwindigkeit ab ("Zeitdilatation" bei schnell bewegten Uhren). Damit  verliert der Begriff der Gleichzeitigkeit bei durch den Raum bewegten Objekten seine Bedeutung.
    • In der Allgemeinen Relativitätstheorie kommt die Abhängigkeit des Zeitverlaufs von der Nähe großer Massen hinzu (je mehr Gravitation, desto langsamer geht die Uhr).
    • Die Effekte beider Relativitätstheorien sind experimentell belegt, sie werden bei der Zeitmessung der Navigationssatelliten (GPS) berücksichtigt.
    • In der Kosmologie wird die "Kosmische Zeit" benutzt. Sie entspricht der Anzeige von Uhren, die ohne zusätzliche Eigenbewegung an der kosmischen Expansion teilnehmen und die am hypothetischen Urknall auf Null gesetzt wurden. (Dazu mehr bei Frage 13)
    • Zeit hängt eng mit Kausalität zusammen. Die Ursache kommt immer vor der Wirkung (auch in Einsteins Welt!). Die Vergangenheit ist unveränderlich, die Zukunft hängt von der Gegenwart kausal ab.
    • Dass die Zeit sich nur in einer Richtung bewegt, hängt mit dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik zusammen. Längerfristig strebt jedes System auf den Zustand größter Wahrscheinlichkeit zu, von der unwahrscheinlichen Ordnung hin zu der wahrscheinlichen Unordnung  - da es Unordnung in sehr viel mehr Varianten gibt als Ordnung, ist sie wahrscheinlicher. Mathematisch wird der Zusammenhang durch die nicht direkt messbare "Entropie"  beschrieben (Hohe Entropie = wahrscheinlicher Zustand = Unordnung).
    • Das Universum begann in einem Zustand sehr niedriger Entropie. Durch die Gravitation wurden die Teilchen zusammengezogen und wurden schließlich zu Sternen und Galaxien "verklumpt", in denen viel Energie in Form von Strahlung und ungeordneter Wärme freigesetzt wurde (Zunahme der Entropie!).
    • Zunahme der Wahrscheinlichkeit = Zunahme der Entropie dominiert alles Geschehen in der Zeit – die Zeit hat eine Richtung ("Zeitpfeil").
    • Mit Zeitlupe" und "Zeitraffer" lässt sich die Darstellung des zeitlichen  Ablaufs  eines Vorgangs strecken oder kürzen.  Elektronen in Materialien  verschieben sich in unter 10 Femtosekunden (1Femtosekunde =10-15  Sekunden), der Umlauf eines   Elektrons um den Atomkern liegt in der Größenordnung 150 Attosekunden (1 Attosekunde = 10-18 Sekunden). In einer Attosekunde kommt Licht nur 0,3 Millionstel Millimeter weit.  Zeitlupen für den Attobereich sind in der Entwicklung (DESY Hamburg beteiligt).
    • Es gibt Hinweise darauf, dass das Phänomen Zeit im Bereich der "Planck-Zeit" 10-43 Sekunden seine Eigenschaft als Kontinuum verliert. So kurze Zeiten sind im Kontext des Urknalls von Interesse, wo unsere heutigen Naturgesetze ihre Gültigkeit verlieren. Insbesondere ist die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenphysik noch nicht schlüssig gelungen. "Schleifenquantengravitation" und "Superstringtheorie" sind bislang nur Kandidaten.


    Zeitreisen

    Zeitreisen in die Zukunft sind von Physik und Logik unproblematisch. Man erinnere sich an das "Zwillingsparadox" der Speziellen Relativitätstheorie: Ein Zwilling bleibt auf der Erde zurück, der andere reist mit einer der Lichtgeschwindigkeit vergleichbaren Geschwindigkeit im Weltraum und erfährt eine "Zeitdilatation". Als er zur Erde zurückkehrt, ist er nur ein paar Jahre gealtert, sein Bruder aber ist ein Greis.

    Zeitreisen in die Vergangenheit kranken logisch immer am Prinzip des "Großvaterparadox": Der Zeitreisende in die Vergangenheit tötet seinen eigenen Großvater und macht damit seine  eigene Existenz unmöglich. Wie jegliche Spuren des Zeitreisenden – und agiere er auch nur als ein Beobachter – vermieden werden können,  ist unklar.
    In Einsteins Raum-Zeituniversum sind geschlossene Zeitlinien – vulgo Zeitreisen – unter extremen Bedingungen möglich . Daher ist die Frage der Paradoxien für die theoretische Wissenschaft durchaus von Interesse. Hochrangige Physiker haben sich damit beschäftigt,  darunter Igor Novikov („Selbstkonsistenz-Prinzip“), und Stephen Hawking („Chronologieschutz-These“). Es ist ein gewisse Tendenz erkennbar dahin, dass die Naturgesetze so wirken, dass Paradoxien nicht entstehen können, Zeitreisen also verhindert werden, die zu Paradoxien führen können.
    Hawking witzelte: „Bislang ist die Frage von Zeitreisen offen. Ich werde darauf jedoch nicht wetten. Mein Gegner könnte ja den unfairen Vorteil haben, die Zukunft zu kennen.“

    Erlebte Zeit

    Jedem drängt sich bei der Beschreibung der Zeit die Metapher vom Fluss der Zeit auf. Man selber sieht die Zeit mit ihren Ereignissen vorbeiziehen, oder man treibt auf dem Fluss der Zeit an den Ereignissen vorbei.

    Zum subjektiven Erlebnis der Zeit gehören:

    • Zeit ist von hoher emotionaler Bedeutung. Wir erleben Zeit bewusst und  beständig, wissen aber, dass uns nur eine endliche Menge Zeit zugemessen ist.
    • Zeit ist nur vorstellbar, "wenn etwas passiert". Ein Zustand ganz ohne Veränderungen wäre zeitlos. Schon für Aristoteles, einen der größten der antiken Philosophen und in seiner Denkweise uns heute besonders nahe, war die Zeit an Veränderungen gebunden;  Zeit war das Maß jeder Bewegung und wurde durch diese gemessen. Vergangenheit und Zukunft sind säuberlich getrennt, dazwischen liegt – etwas unscharf – die Gegenwart als der wandernde Übergang.
    • Was wir als Gegenwart erleben, ist eigentlich eine Mischung verschiedenster Vergangenheiten. "Die Sonne scheint jetzt" sagen wir, wenn wir die Sonne sehen – aber es sind sieben Minuten vergangen seit das Licht von der Sonne ausgesandt wurde. Wir sehen Sterne "jetzt"  - ihr Licht war leicht Tausende von Jahren unterwegs, vielleicht existieren die Sterne gar nicht mehr ...
    • Zeit und Raum sind in unserem Erleben mit einander über die Bewegung verknüpft. Zeit ist nicht ohne Bewegung vorstellbar, zur Bewegung aber gehört Raum. Raum ist aber ebenfalls ohne Bewegung nicht vorstellbar, weil wir ihn nur durch Bewegung erfahren können.
    • Der Zeitverlauf wird als umso langsamer empfunden, je weniger sich ereignet, die Zeit vergeht um so schneller, je mehr darin passiert. (Einstein:  "Wenn man mit dem Mädchen, das man liebt, zwei Stunden zusammensitzt, denkt man, es ist nur eine Minute; wenn man aber nur eine Minute auf einem heißen Ofen sitzt, denkt man, es sind zwei Stunden - das ist die Relativität".) Das Verhältnis dreht sich in der Erinnerung um.
    • Menschen geben nach aufregenden Erlebnissen, zum Beispiel einem Autounfall, an, die Ereignisse in Zeitlupe wahrgenommen zu haben. Es wurde jedoch nachgewiesen, dass die Wahrnehmung unverändert ist, das Ereignis ist nur in der Erinnerung gedehnt.
    • Wir besitzen einen Zeitsinn, der uns Zeiträume abzuschätzen erlaubt. Basis dafür sind natürliche Rhythmen wie Tag und Nacht, der Herzschlag, die Atmung, die Gehirnwellen (zwischen 30 Hertz "Gamma" und 0,1-3,5 Hertz "Delta"). Galilei soll bei der Beobachtung eines schwingenden Kirchenkandelabers seinen Herzschlag als Zeitmessgerät verwendet haben.
    • Wenn keine Reize und Informationen aus der Umwelt eintreffen, beträgt der "circadianische" Rhythmus beim Menschen etwa 25 Stunden. Die Zeitumstellung bei Interkontinentalflügen von Ost nach West werden daher im Allgemeinen als etwas weniger belastend empfunden als bei Reisen von West nach Ost.
    • Optische Reize müssen 20-30 Tausendstel Sekunden auseinander liegen,  um getrennt wahrgenommen zu werden. Manche Tiere – zum Beispiel Stubenfliegen – können viel schnellere Reize wahrnehmen (was zu dem Gedanken führt, dass diese subjektiv vielleicht gar nicht kürzer leben als wir).
    • Als Gegenwart wird ein Zeitraum von etwa 3 Sekunden wahrgenommen.


    Astronomische Uhr Prag         –                           Atomuhr PTB
    (Urheber: Godot 13 - Jörg Behrens, Creative Commons Attribution Share Alike 3)










    13   Gleichzeitigkeit  in der
                       Speziellen  Relativitätstheorie

    Albert Einstein

    Albert Einstein hat mit seinen Relativitätstheorien unsere Vorstellungen von Raum und Zeit verändert – mit überprüfbaren Ergebnissen! Aus Raum und Zeit wurde Raumzeit.




    Frage 13:   Gleichzeitigkeit in der Speziellen
                       Relativitätstheorie

    Die Relativitätstheorie hat uns bezüglich des Nachdenkens  über das, was Zeit ist oder bedeutet, durch die Behauptung in Verwirrung gebracht, dass es keine Gleichzeitigkeit geben könne (dieselbe Zeit an verschiedenen Raumpunkten), obwohl man ganz frei behaupten zu können meint, man könne denselben Zeitpunkt im gesamten Kosmos haben, also beispielsweise auch in einer Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, auch wenn man diese auf Grund der begrenzten Lichtgeschwindigkeit in einem entsprechend Jahrmillionen zurückliegenden Zustand vor sich sieht. Zwischen der theoretischen Behauptung und dem sich sicheren Gefühl besteht eine Paradoxie. Die laienhaft formulierte, Frage lautet, wieso die Möglichkeit von Gleichzeitigkeit davon abhängen soll, dass der Lichttransport mit einer bestimmten begrenzten Geschwindigkeit erfolgt, wogegen >gedanklich< Gleichzeitigkeit als möglich, zumindest als denkbar erscheint.

    Antwort auf Frage 13

    Alle Besonderheiten und "Paradoxien" der Speziellen Relativitätstheorie tauchen erst dann auf, wenn Geschwindigkeiten vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit ins Spiel kommen.

    Schon Galilei und Newton kennen Relativität: In gleichförmig (unbeschleunigt) sich bewegenden Systemen sind die Naturgesetze gleich. Die Geschwindigkeit eines Körpers ist  nur sinnvoll anzugeben im Verhältnis zu anderen Körpern. Geschwindigkeiten in gleicher Richtung addieren sich einfach:

    w = u + v

    Ein Beispiel: Ein Schiff läuft langsam in eine Schleuse ein. Ein Decksmann marschiert auf dem Schiff nach vorne, auf dem Kai marschiert parallel ein Schleusenarbeiter mit der gleichen Gehgeschwindigkeit nach vorne. Der Mann auf dem einlaufenden Schiff überholt den Mann auf dem Kai leicht: Für ihn addieren sich Schiffsgeschwindigkeit und Gehgeschwindigkeit. Wir alle erleben diesen Effekt wenn wir uns auf dem Laufband eines Flughafens bewegen.

    Dementsprechend erwartet man, dass das Licht eines fernen Sterns schneller auf einen zukommt wenn man sich auf den Stern zu bewegt, und langsamer, wenn man sich von ihm entfernt.  Genau dies ist aber nicht der Fall: Licht (im leeren Raum) kommt bei einem Beobachter immer mit der gleichen Geschwindigkeit an. Die gemessenen Geschwindigkeit des Lichtes im Vakuum ist immer gleich, einerlei wie man sich selbst bewegt. ( c = 299790 ~ 300000 km pro Sekunde) Dieses sonderbare und mit dem Alltagsverstand nicht einzusehende Verhalten war am Ende des 19. Jahrhunderts aus unzweifelhaften Experimenten bekannt (1887 Versuch von Michelson und Morley), blieb aber unverständlich. Die Vorstellung eines "Lichtäthers" brachte keine Lösung.

    Einstein erklärte die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zu einem Grundgesetz von Raum und Zeit und legte sie seiner "Speziellen Relativitätstheorie" zugrunde ("Speziell": es geht um gleichförmige, unbeschleunigte Bewegungen).

    Es ergaben sich die überraschende Folgen: Uhren in schnell bewegten Systemen gehen aus der Sicht eines stationären Beobachters langsamer ("Zeitdilatation"), Maßstäbe verkürzen sich in Bewegungsrichtung, Geschwindigkeiten addieren sich nach der Formel

    w = (u + v) / (1+ uv/c²)

    so dass die Lichtgeschwindigkeit nie überschritten wird – wie beobachtet!

    In diesen  Formulierungen könnte man die Seltsamkeiten als ein Artefakt unzureichender Beobachtungstechnik verdächtigen. Es hat sich aber gezeigt, dass die Effekte physikalische real sind:
     

    • Schnellbewegte Myonen (Elementarteilchen sehr kurzer Lebensdauer), entstanden in der oberen Atmosphäre oder in einem Teilchenbeschleuniger auf fast Lichtgeschwindigkeit gebracht, leben viel länger als langsam bewegte;
    • 1971 führten Joe Hafele und Richard Keating in Verkehrsflugzeugen auf einem Flug von West nach Ost Atomuhren mit und verglichen sie danach mit stationären Gegenstücken: die durch den Flug schneller bewegten Uhren gingen im erwarteten Maße nach. Diesen Versuch kann man wegen des Uhrenvergleichs am Ausgangsort = Zielort bereits als Beleg für das Zwillingsparadoxon auffassen.


    Jetzt zum Problem der Gleichzeitigkeit.

    Überhaupt kein Problem gibt es innerhalb eines unbeschleunigten Systems ("Inertialsystem"), das man immer als stationär auffassen kann. Uhrenvergleich ist durch Signalaustausch oder durch Uhrentransport möglich. Gleichzeitigkeit ist hier ein sinnvolles Konzept.

    Die Situation ändert sich, wenn zwei Systeme relativ zu einander bewegt sind; signifikant werden die Effekte erst wenn die Relativgeschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist. "Gleichzeitigkeit" verliert dann ihren physikalischen Sinn.  Gleichzeitige Ereignisse in einem System werden in einem anderen schnell bewegten System nicht mehr gleichzeitig sein. Die  Folge kausal verknüpfter Ereignisse bleibt aber für  alle Beobachter erhalten.

    Einstein arbeitete gerne mit "Gedankenexperimenten", wir wollen zur Veranschaulichung des Problems seinem Beispiel folgen. Zur Zeit als Einstein seine Relativitätstheorie entwickelte, war die Eisenbahn das schnellste Verkehrsmittel, und auch wir wollen es hier verwenden.

    Auf einem Bahnsteig stehe der Experimentator A. An ihm vorbei  fahre mit hoher Geschwindigkeit der Großraumwagen eines Zuges. Genau in der Mitte dieses Wagens mit der Länge L steht Beobachter B, der die Geschwindigkeit des Zuges nicht kennt.

    Experimentator A hat in gleichem Abstand L/2 links und rechts von ihm auf dem Bahnsteig Vorrichtungen installiert (Längenkontraktion des Wagens berücksichtigt), an denen er  gleichzeitig Blitze auslösen kann, die in den Eisenbahnwagen einschlagen – gleichzeitig heißt: das Licht der beiden Blitze kommt bei ihm selbst im genau gleichen Augenblick an, natürlich mit der mit der Lichtgeschwindigkeit c. Im stationären Referenzsystem ist alles normal.

    Experimentator A löst nun die für ihn gleichzeitigen Lichtblitze genau in dem Moment aus, als Beobachter B an ihm vorbeifährt. Was erlebt Beobachter B?

    Beobachter B  fährt von Blitz 1 weg, das Licht muss einen längeren Weg als L/2 zurücklegen bis es ihn erreicht. Auf Blitz 2 fährt Beobachter B zu, er kommt dem Licht entgegen, das Licht muss also nur einen kürzeren Weg als L/2 zurücklegen. Der Lichtstrahl von Blitz 2 kommt also vor dem Lichtstrahl von Blitz 1 beim Beobachter B an.

    In der klassischen Galilei/Newtonschen Physik käme das Licht von Blitz 2  schneller  auf  Beobachter B zu als das Licht  von Blitz 1. Beobachter B könnte seine Beobachtung entsprechend korrigieren. Nicht so nach der Speziellen Relativitätstheorie: das Licht kommt immer mit der Geschwindigkeit c  beim Beobachter  an. Beobachter  B weiß, dass das Licht von beiden einschlagenden Blitzen genau L/2 zurückgelegt hat. Wenn das Licht von Blitz 2 bei ihm früher ankommt als das Licht von Blitz 1, kann er daraus nur schließen, dass Blitz 2 vor Blitz 1 eingeschlagen hat.  Für Beobachter B  sind die beiden Blitze nicht gleichzeitig, für den Experimentator A aber sind sie es!

    In Einsteins Universum ist Gleichzeitigkeit kein brauchbares Konzept. Damit gibt es keine universelle Zeit mehr, denn eine solche dürfte nicht zu widersprüchlichen Beobachtungen führen.

    In der Allgemeinen Relativitätstheorie sind die Verhältnisse noch komplizierter.  Eine ihrer Aussagen ist, dass Uhren umso langsamer gehen, je stärker das Gravitationsfeld ist in dem sie sich befinden. Auch diese Aussage ist experimentell bestätigt. Bei einem Satellitennavigationssystem (GPS), das ja mit hochgenauen Uhren arbeitet, wird sowohl die Zeitdilatation durch hohe Geschwindigkeit wie auch der in der Flughöhe verringerte Einfluss der Gravitation berücksichtigt.

    Nach all dem aber ist die Frage nach einer universellen Gleichzeitigkeit, einem universellen "Jetzt", nicht unsinnig. Die Spezielle Relativitätstheorie bezieht sich nämlich ausdrücklich auf Bewegungen durch den Raum. Kosmologisch sieht die Situation anders aus.

    Die Ausdehnung des Universums erfolgt nicht in einen vorgegebenen Raum hinein, sondern der Raum selber dehnt sich aus. Im Großen und Ganzen treiben die Galaxien mit dem sich dehnenden Raum auseinander. Von der Ausdehnung des Raumes aber werden Uhren nicht beeinflusst. Die Kosmologie verwendet in ihren Untersuchungen die sinngemäß definierte "Kosmische Zeit", sie startet beim Urknall.

    Hätte man vor beispielsweise 13 Milliarden Jahren auf den treibenden Galaxien Uhren abgesetzt und synchronisiert, so würden sie heute noch synchron ticken und die gleiche Zeit anzeigen. Sie würden auch einmal  "25.12.2013  13:29" anzeigen, das "Jetzt" des Autors bei der Niederschrift dieses Satzes. Was geschieht am Ort der Uhren bei diesem angezeigten Datum? Das können wir nicht in Erfahrung bringen – das Licht, das uns die Information bringen würde, wird ja gerade erst ausgesandt. (Die Erde ist allerdings kein guter Standort für eine solche Uhr: Einerseits wirkt die Gravitation. Andererseits bewegt sich nicht nur die Erde um die Sonne, die Sonne ihrerseits bewegt sich um das Galaktische Zentrum, und unsere Galaxis selbst bewegt sich mit der – im kosmischen Maßstab freilich geringen – Geschwindigkeit von 600 km/sec in Richtung des Zentrums des lokalen Superhaufens .... Die Zeit des Autors geht gegenüber der Kosmischen Zeit nach.)

    Man kann also durchaus fragen, wie groß das sichtbare Universum "jetzt" ist . (Im wissenschaftlichen Jargon fragt man nach der  "mitbewegten Entfernung" - engl.: comoving distance - der "Distanz zwischen der Quelle und dem Beobachter auf einer raumartigen Hyperfläche, definiert durch Ereignisse mit konstanter kosmologischer Zeit  (heute)" (Wikipedia). Die Antwort:  Der Rand des "beobachtbaren"  Universums ist heute rund 46 Milliarden Lichtjahre entfernt (mehr dazu bei Frage 2).

    14    Kosmologie und Wärmetod

    Ludwig Boltzmann

    Ludwig Boltzmann stellte die Thermodynamik auf eine neue
    atomar orientierte Basis (Statistische Mechanik).

    Frage 14:    Kosmologie und Wärmetod

    Nimmt die heutige Kosmologie immer noch oder sogar noch fundierter als früher, in Anwendung der zur Thermodynamik entwickelten Theorien und unter der Voraussetzung, dass das Weltall ein geschlossenes System ist, in dem die Theorien dann auch global anwendbar sind, an, dass das Weltall einem >Wärmetod< oder jedenfalls einem Zustand entgegen geht, in dem sich keine materiellen Vorgänge mehr ereignen können? So wird es im Großen Brockhaus unter dem Stichwort >Entropie< für möglich gehalten, oft auch  in esoterisch insinuierten Szenerien.

    Zusatzfrage: Im Zusammenhang mit dem Entropie-Problem, das in erster Linie mikrophysikalische Zusammenhänge betrifft, interessiert auch die makrophysikalische, nämlich kosmologische Frage, ob die Unübersichtlichkeit der Materie-Verteilung im Universum, das auf den ersten Blick scheinbare Fehlen einer gesamtkosmischen Ordnungsstruktur der Galaxienmenge etwas mit den mikrophysikalischen Verhältnissen zu tun hat.

    Antwort auf Frage 14

    Ludwig Boltzmann begründete die Thermodynamik neu auf der Basis atomistischer Vorstellungen (entgegen den Auffassungen von Wilhelm Oswald und Max Planck). Er entwickelte die statistische Mechanik und gab der Entropie besondere Bedeutung.

    "Entropie" beschreibt sinngemäß die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes, oder anders gesagt:  das Maß seiner Unordnung. Wie jedermann  bezeugen kann, ist ein geordneter Schreibtisch Ergebnis besonderer Anstrengung, während Unordnung sich von selber einstellt. Es gibt nur eine Ordnung, Unordnung aber gibt es in nahezu unzähligen Formen – Unordnung ist sehr viel wahrscheinlicher als Ordnung, daher bewegen sich alle Systeme dorthin.

    In der Physik heißt das: In einem geschlossenen System kann die Entropie immer nur zunehmen. Wenn man warmen Kaffee und kalte Milch hernimmt (geordneter Zustand) und mischt, entsteht ein lauwarmer Milchkaffee der sich um nichts in der Welt wieder entmischen will – die Entropie hat zugenommen .

    Entropie ist in der Wärmetechnik eine sehr nützliche Rechengröße. Aber da sie nie direkt gemessen werden kann, bereitet sie dem Studenten erhebliche Verständnisprobleme - wie der Autor sich leidvoll erinnert!

    In der Regel betrachtet man das Universum als Ganzes als geschlossenes System; andernfalls müsste am einen Weg finden, dem Universum von außen Energie zuführen. Also wird im Universum die Entropie – die Unordnung – zunehmen, heiß und kalt wird sich ausgleichen bis zuletzt alle Strukturen verschwinden : der sogenannte "Wärmetod" (besser wäre eigentlich "Kältetod").

    In etwas mehr Einzelheiten wird heute die Zukunft des Universums etwa so beschrieben:
     

    • Wenn sich die beschleunigte Ausdehnung tatsächlich bestätigt, dann wird in 150 Milliarden Jahren nur noch der lokale Galaxiensuperhaufen zu sehen sein, alle anderen Galaxien werden sich mit Überlichtgeschwindigkeit entfernen (nicht verboten durch Einsteins Spezielle Relativitätstheorie, denn der Raum selbst dehnt sich). Diesen Zeitpunkt kann aber auf der Erde niemand erleben.
    • Unsere Sonne wird noch einmal 5 Milliarden Jahre leuchten. Sie ist heute schon 30% heller als am Anfang, wird in 3,5 Milliarden Jahren 40% heller sein. Vielleicht kann sich das Leben auf der Erde anpassen, vielleicht kann es sich eine Zeitlang in die Meere zurückziehen bevor sie verdampfen, vielleicht können die Nachkommen der Menschen (wenn es denn welche gibt)  auf andere Planeten, in andere Sternsysteme umziehen.
    • In 5 Milliarden Jahren wird die Sonne ihren Wasserstoffvorrat verbraucht haben. Sie wird sich zu einem Roten Riesen aufblähen, der Merkur und Venus verschlingt. Wenn sie auch ihr Helium in atomaren Prozessen „verbrannt“ hat, wird sie äußere Schichten abstoßen („Planetarische Nebel“); dann wird sie sich zu einem Weißen Zwerg  zusammenziehen müssen und schließlich zu einem Schwarzen Zwergstern ausglühen.
    • Die Sonne ist ein Stern mittlerer Größe, zu klein um als Supernova zu enden aus der ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch hervorgeht.  Riesensterne, denen dieses spektakuläre Ende beschieden ist, leben ein nur paar Millionen Jahre. Rote Zwergsterne hingegen können Jahrbillionen brennen. Schlussendlich müssen sie alle erlöschen: „Die Lichter gehen aus“.


    Verteilung von Galaxien im Universum – jeder Lichtpunkt eine Galaxie
    Quelle:  2dF Redshift Survey 2003

    • Die heute im Universum vorhandenen Strukturen lösen sich auf. Heute  finden wir die Sterne in Galaxien, die Galaxien in Galaxienhaufen, die Galaxienhaufen in Superhaufen, heute in langen Filamenten angeordnet. Die Entstehung dieser  Strukturen lässt sich im Computer simulieren, wenn man die dunkle Materie berücksichtigt. ( Zur Zusatzfrage: Ein aktueller Zusammenhang der Strukturen mit der Mikrophysik ist dem Autor nicht bekannt, ein historischer Zusammenhang wahrscheinlich: Ausgangspunkt für die Bildung der Strukturen waren winzige Dichteschwankungen, wie sie die kosmische Hintergrundstrahlung erkennen lässt; ihr erster Anfang mag in Quantenfluktuationen gelegen haben, schon während der Inflation.)
    • Die Temperaturen sinken, die Bewegung der Atome kommt zum Stillstand; die Schwarzen Löcher emittieren langsam ihre Energie („Hawking-Strahlung“) und explodieren; schließlich zerfallen sogar die einzelnen Protonen. Nur noch schwach wechselwirkende Teilchen treiben in der unendlichen Leere.


    Das sind keine erfreulichen Überlegungen, aber ernstlich Sorgen müssen wir uns nicht machen: Wollten wir für dieses Ende eine gewöhnliche Jahreszahl hinschreiben, dann bräuchten man 2 Zeilen für die Nullen hinter der ersten Stelle.

    So gesehen ist das Universum noch sehr jung .....

    15    Mathematik und Naturwissenschaft
     

    Galileo Galilei  - Isaac Newton

    Zwei der größten und vielseitigsten Naturwissenschaftler aller Zeiten mit besonderer Beziehung zur Mathematik.

    Porträts von Justus Sustermann  und von Godfrey Kneller




    Frage 15:   Mathematik und Naturwissenschaft

    Ist eigentlich Mathematik eine Wissenschaft, kann man mit den in ihr aufgefundenen Gesetzmäßigkeiten etwas außer ihr Existentes, also insbesondere die Natur erklären, erklärbar machen? Oder ist die Mathematik umgekehrt schon etwas, das wir als eine, zunächst heimliche, weil von uns unentdeckte, Struktur eben der Natur erkennen?

    Antwort auf Frage 15

    Mathematik ist zunächst einmal eine Wissenschaft in sich. Nach Wikipedia ist sie "eine Wissenschaft, die durch logische Definitionen selbstgeschaffene abstrakte Strukturen mittels der Logik auf ihre Eigenschaften und Muster untersucht". Sie arbeitet mit Konstrukten, die keine Entsprechung in der Natur haben müssen. Beachtet man ihre strengen Regeln, so liefert sie als einzige Wissenschaft für ihre Aussagen Beweise im strengen Sinne.

    Jedoch:

    Galileo Galilei verglich1623 in "Il Saggiatore"  das Universum mit einem offenliegenden Buch: " Aber das Buch ist nicht zu verstehen, wenn man nicht zuvor die Sprache erlernt und sich mit den Buchstaben vertraut gemacht hat, in denen es geschrieben ist. Es ist in der Sprache der Mathematik geschrieben, und deren Buchstaben sind Kreise, Dreiecke und andere geometrische Figuren, ohne die es dem Menschen unmöglich ist, ein einziges Wort davon zu verstehen; ohne diese irrt man in einem dunklen Labyrinth herum.“

    Einstein sagte: „Das Unverständlichste am Universum ist im Grunde, dass wir es verstehen.“ Dass die Natur einer mathematischen Beschreibung zugänglich ist, wird gerne als erstaunliche und nicht erklärbare Grundtatsache der Realität apostrophiert.

    Der Autor sieht das etwas anders:
    Dass die Größen der Natur (Massen, Kräfte, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Elektrische Ladungen ...) in mathematisch absolut sauberen Verhältnissen zu einander stehen, das genau macht das Wesen von Naturgesetzen aus. Wenn es diese absolut sauberen Verhältnisse nicht gäbe,  wenn alles nur qualitativ, alles nur "so ungefähr" wäre, dann wäre die Welt ein ungeordnetes Chaos ohne jede Regelmäßigkeit. Schon dass im Quantenbereich mit Wahrscheinlichkeiten gearbeitet werden muss, irritiert so manchen. Jedoch sind diese Wahrscheinlichkeiten wieder absolut gesetzmäßig, Quantentheorien liefern für praktische Anwendungen hochgenaue Ergebnisse. Im Sinne der gestellten Frage müsste man wohl sagen, dass die Natur eine von uns zu entdeckende mathematische Struktur besitzt.

    Naturwissenschaftler benötigen mathematische Verfahren zur Aufstellung von der Realität angemessenen Gesetzen. Wissenschaftler waren  häufig gezwungen, sich ihr mathematisches Handwerkszeug selbst zu schaffen.    Klassisches Beispiel ist  Isaac Newton, der sich für die Untersuchung von Bewegungsabläufen eine Infinitesimalrechnung schuf (Differential- und Integralrechnung). Schon wenige Jahre vorher hatte der deutsche Mathematiker Gottfried Wilhelm Leibniz ein solches Kalkül entwickelt, das sich später wegen der einfacheren Notation gegenüber der Newton'schen durchsetzte, auch wenn Leibniz in einem Plagiatsprozess schuldig gesprochen wurde – zu Unrecht!

    Ein Gegenbeispiel zur problembezogenen Entwicklung mathematischer Verfahren bietet Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Einstein hatte einen physikalischen Ansatz: Gravitation und Beschleunigung als physikalisch gleichwertig anzusehen. Er wollte die Gravitation als Ausdruck einer geometrischen Eigenschaft (Krümmung) der Raumzeit interpretieren, hatte aber kein mathematisches Instrumentarium dazu. Nun war aber die Mathematik gekrümmter Räume schon im 19. Jahrhundert von Bernhard Riemann entwickelt worden, ohne jeden Gedanken an praktische Anwendung. Auf Hinweis und mit Hilfe seines Freundes Marcel Grossmann erarbeitete sich Einstein dieses mathematische Instrument, es gelang ihm die Gravitation zu geometrisieren. 1915 stellte er seine "Allgemeine Relativitätstheorie" erstmalig vor.

    Heute sind mathematische Verfahren aus der Forschung nicht wegzudenken, von der Populationsdynamik  der Evolutionsforschung bis zur Bildung von Galaxien. Überall dort wo man echte Experimente nicht durchführen kann, überprüft man seine Hypothesen durch rechnerische Simulation und Vergleich mit der Beobachtung.


    Gottfried Wilhelm Leibniz - Rechenmaschine 1690
    (Quelle: Hajottthu, Wikipedia, GNU-License)

    „Es ist unwürdig, die Zeit von hervorragenden Leuten mit knechtischen Rechenarbeiten zu verschwenden, weil bei Einsatz einer Maschine auch der Einfältigste die Ergebnisse sicher hinschreiben kann.“


     

    2014 wurde in Hannover der Superrechner "Gottfried" installiert, der im Norddeutschen Rechnerverbund mit seinem Bruder "Konrad" in Berlin zusammenarbeitet (benannt nach dem Computerpionier Konrad Zuse). Mit 2,6 PetaFLOPS ist er noch nicht der größte existierende Rechner.
     
     

    Supercomputer Titan, NASA, Oak RidgeNational Laboratory
    17, 6 PetaFLOPS
    (1 PetaFLOP = 1015 Gleitkommaoperationen pro Sekunde)











    16  Wie denkt der Mensch

    Richard Feynman

    Richard Feynman war einer der originellsten und produktivsten Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts auf dem Gebiet der Quantenphysik. Er schuf sich das Hilfsmittel der "Feynman-Diagramme.

    Frage 16:   Wie denkt der Mensch?

    Wie kann die moderne Hirnforschung das Erlebnis des Denkens, des Denkenkönnens erklären, das subjektiv aus zwei Elementen zusammengesetzt ist, erstens aus dem denkerischen Wollen eines gefühlten, aber nicht greifbaren, nämlich erst zu formulierenden Denkergebnisses, also eines sprachlichen Satzes, zweitens aus der darauf folgenden, meist mit dem Vorgefühl stimmigen Intuition? Wie also, vereinfacht gefragt, geht Denken vor sich?

    Antwort auf Frage 16

    Unser Gehirn ist mit rund 10 Milliarden Nervenzellen, von denen jede vielfach mit anderen verknüpft ist, so dass sich 40 Billiarden Verknüpfungen ergeben, die komplexeste uns bekannte Struktur im Universum. Unzählige Informationen – von außen über die Sinne eingebracht – und aus dem menschlichen Körper selbst – Körperhaltung, Blutdruck, Zuckerspiegel im Blut usw. usf. – werden parallel verarbeitet (im Gegensatz zum PC, der sequentiell arbeitet). Diese Prozesse erfolgen im Unbewussten, bis hin zur Beurteilung und Entscheidungsfindung in komplexen Situationen.  Dazu ein Beispiel: Ich bin auf die Straße getreten, aber jetzt naht mit hoher Geschwindigkeit ein Auto. Soll ich zurückspringen oder die Straße schnellstmöglich überqueren?  Bleibe ich stehen um nachzudenken, werde ich überfahren - nur eine schnelle Entscheidung im Unbewussten rettet mein Leben.

    Die unbewussten Prozesse im Gehirn sind das grundlegende Geschehen, hier werden pro Sekunde 11 Millionen bit an Information verarbeitet, während das Bewusstsein auf 16 bis 50 bit pro Sekunde beschränkt ist. Das Unterbewusstsein bietet dem Bewusstsein eine aufbereitete, zusammengefasste Weltsicht an. Es wird geschätzt, dass 95% aller kognitiven Prozesse dem Bewusstsein nicht zugänglich sind. Das Gehirn verbraucht über 20% der Energie im Körper, aber wenn man vom Tagträumen auf konzentriertes Schachspiel übergeht, steigt sein Energieverbrauch nur um 1%

    Im unbewussten Bereich laufen viel mehr Bewertungs- und Entscheidungsprozesse ab, als das eitle Bewusstsein wahr haben möchte. Insofern war Siegmund Freud auf der richtigen Spur, auch wenn vieles überholt ist, was er sich über das Unbewusste und seine Triebfedern zusammenreimte. (Er war nicht der erste der die bedeutende Rolle des Unbewussten erkannte; vor ihm wies z.B. 1874 William Carpenter darauf hin).

    Die Frage nun zielt auf den Sonderfall des bewussten Denkens – ein sequentieller Vorgang und darum auch recht langsam. Unter Denken werden (nach Wikipedia) "alle Vorgänge zusammengefasst, die aus einer inneren Beschäftigung mit Vorstellungen, Erinnerungen und Begriffen eine Erkenntnis zu formen versuchen".

    Ort des Denkens ist  primär das Stirnhirn, doch es operiert nicht unabhängig.  Viele andere Bereiche sind im Eingriff. Ein Beispiel: Wenn wir uns einen Bewegungsablauf vorstellen, z.B. einen Gang durch unsere Wohnung, dann sind genau jene Bereiche des Gehirns aktiv, die beim realen Gang die Bewegung kontrollieren. Hier liegt wohl der Grund, warum das mentale Bewegungstraining von Sportlern funktioniert.

    Man kann nicht behaupten, die komplizierten Zusammenhänge seien im Detail verstanden, doch gibt es große Fortschritte. Insbesondere profitiert die Gehirnforschung davon, dass nach dem EEG (Elektroenzephalogramm, zeichnet Gehirnströme auf) die  bildgebende PET (Positronen-Emissions-Tomographie) die aktiven Bereiche des Gehirns aufzeigt. Noch weiter zu klären ist zum Beispiel die Rolle des Kleinhirns; es gibt Hinweise darauf, dass es nicht nur in der Steuerung von Bewegungsabläufen aktiv ist, sondern auch den Gang der Gedanken steuert.

    Zur Zeit laufen umfangreiche Forschungsprojekte in Europa, USA und Israel, das menschlich Gehirn mit Hilfe von Supercomputern zu simulieren. In Europa steht das Blue Brain Project an der Spitze (derzeit Simulation einzelner kortikaler Säulen eines Rattengehirns, mit 10 000 Neuronen). Es soll in das "Human Brain Project", übergehen ein Leuchtturmprojekt der EU (10 Jahre, 1,19 Milliarden Euro, 80 Partner, Koordination ETH Lausanne).


    Gehirn und einige Funktionsbereiche




    Aus diesen Forschungen haben wir heute eine Vorstellung davon, wie Erinnerungen abgespeichert werden (nicht in den berüchtigten "Großmutterzellen", sondern in Netzwerken, die viele Teile des Gehirns verknüpfen), und wo bestimmte Vorstellungen zuhause sind, so dass heute schon ein rudimentäres Gedankenlesen möglich ist. (Praktische Anwendung: Gelähmte sind in der Lage, allein mit Gedankenkraft den Cursor auf einem Bildschirm zu bewegen). Wir wissen auch, welche Nervenzellen Mitgefühl auslösen, die sogenannten "Spiegelneuronen". Wir wissen, Mängel in welchem Gehirnteil einen Menschen zum Soziopathen machen......

    Denken kann man in Sprache und in Bildern, Bewegungsabläufen, Tönen .... Bei dem Wort "Denken" assoziiert man vor allem das "Innere Sprechen", das sich auch schriftlich fixieren lässt. Man kann auch laut denken (Heinrich von Kleist: "Über die Verfertigung der Gedanken beim Reden"), wobei das Kreative dabei im Unbewussten abläuft – das Sprechen erfolgt so langsam, dass das Unbewusste genug Vorlauf hat.  Dass das Unterbewusste auch beim bewussten Denken in Sprache – laut oder leise – beständig im Eingriff ist, zeigt sich schon daran, dass wir in grammatisch korrekten Formulierungen denken, ohne über diesem Aspekt irgendwelche Aufmerksamkeit schenken  zu müssen. In einer fremden Sprache zu denken erfordert mühsames Üben!

    Denken in Sprache bietet viele zusätzliche Möglichkeiten gegenüber dem Denken in Bilder etc..  Sprachliche Symbole können auf hoher Abstraktionsebene gebildet und beim Denken manipuliert werden. Denken und Sprache wurden auch schon als wesensgleich aufgefasst, doch sind sie im Gehirn in unterschiedlichen Netzwerken realisiert. Schädigungen des Gehirns, z.B. durch einen Schlaganfall, können die Fähigkeit des Sprechens zerstören, während die kognitiven Fähigkeiten erhalten bleiben. Ein erheblicher Teil unseres Wissens ist ohnehin nonverbal und mithin außerhalb der sprachlichen Hirnareale gespeichert. Beschreiben Sie einmal in Worten, wie man Fahrrad fährt, und versuchen Sie gemäß dieser Anweisung zu fahren. Aber bitte Vorsicht!

    Umstritten ist die Hypothese, dass das Gehirn in einer universellen Geistessprache arbeitet. Dieses "Mentalesisch" soll gewisse Ähnlichkeiten mit einer echten Sprache haben, aber ererbt sein.

    Systematisches sprachliches Denken kann man lernen. In der Naturwissenschaft kann das sprachliche Denken stark formalisiert sein (Mathematik!), aber auch im allgemeinen Leben folgt die Sprache vorgeprägten Strukturen. Diese scheinen in allen Kulturkreisen ähnlich zu sein, sind also wohl auch Teil der Erbanlage.

    Evolutionsbiologisch ist die Fähigkeit des Denkens ein Hilfsmittel zur Lageanalyse und Entscheidungsvorbereitung in komplexen Situationen, es muss also immer ein Anreiz zur Entwicklung dieser Fähigkeit bestanden haben.  Zu einer differenzierten Sprache sind nur Menschen fähig. (Schimpansen benutzen in der freien Natur nur 40 lautliche Äußerungen wie Warnrufe. In Gefangenschaft können sie in einer Zeichensprache etwa bis zur Sprechfähigkeit eines zweijährigen Kindes kommen).  Die Fähigkeit in Bildern zu denken erklärt, warum auch sprachunfähige Tiere bemerkenswerte Denkleistungen  vollbringen.

    Primaten und intelligente Vögel (Rabenkrähen, Papageien! Das Gehirn ist hier etwas anders aufgebaut!) können offenbar "im Vorstellungsraum handeln", das heißt sie können sich den Lösungsweg für eine in  mehreren Schritten zu lösende Aufgabe vorweg im Gehirn entwickeln. Auch Kraken gelten als besonders intelligent. Künstler können, ja müssen in Bildern denken. Viele Ingenieure können es. Wissenschaftler schaffen sich gerne Bilder als Hilfsmittel für ihre Arbeit. So entwickelte der große Richard Feynman eine eigene Bildsprache – bekannt als "Feynman-Diagramme" - um komplizierte Probleme der Quantenphysik  zu lösen.

    Es gilt als gesichert, dass ein Gutteil allen Denkens im unbewussten Bereich abläuft, nur die Endergebnisse werden bewusst. Dies erklärt vielleicht die Beobachtung einer " meist mit dem Vorgefühl stimmigen Intuition", wie es in der Frage heißt.

    Werden wir mit einem neuen Problem konfrontiert, so ist es bekanntlich eine gute Strategie, zunächst sich Randbedingungen und Vorwissen klar zu machen, dann aber erst einmal "drüber zu schlafen", also das Unterbewusstsein arbeiten zu lassen, danach die Lösung anzusteuern. Auch, ja gerade im Unterbewusstsein kann das Gehirn auf alles Gelernte und Erinnerte einschließlich Logik und kausalem Denken zurückgreifen.

    Die bedeutende Rolle des Unbewussten und damit der körperlichen Befindlichkeit gilt zum Beispiel nachweislich bei der Vorbereitung von Entscheidungen. Die Entscheidung wird durch jene Teile des Gehirns vorbestimmt, die eine Situation nach "Angenehm oder Unangenehm, Erstrebenswert oder zu Vermeiden?"  beurteilen.  Schädigungen in solchen Teilen des Gehirns berauben den Menschen der Fähigkeit "vernünftig" zu entscheiden. (Hier taucht die Frage nach dem freien Willen auf, ein offenbar wenig brauchbaren Konzept – siehe Frage 18!)

    Was wir nicht erklären können, ist das Zustandekommen der Erlebnisqualität ("Qualia") des Bewusstseins bei diesen Vorgängen – ja, das Gehirn schaut sich selbst beim Denken zu.

    Es scheint da eine klare Stufenfolge zu geben:

    Eingehende Signale > Bewertete Information > Aufmerksamkeit > Bewusstsein > Bewusstes Denken > Handeln.

    Ergibt sich bei der (unbewussten) Bewertung eine überlebenskritische Situation, wird dir Kette abgekürzt:

    Eingehende Signale > Bewertete Information >  Handeln.

    Wenn ein Höhlenlöwe auf einen unserer Vorfahren zustürmte, war keine Zeit zum Nachdenken ... Heute kommen Automobile statt des Löwen auf uns zu ....

    17    Naturwissenschaft und Kunst

    Leonardo da Vinci      -      Benoit Mandelbrot

    Das Universalgenie Leonardo war gleichermaßen Künstler wie Wissenschaftler. Mandelbrot entwickelte die Mathematik der fraktalen Strukturen.

    Porträt Leonardo: Selbstbildnis    Schmetterlinge und Eidechse: Sibylle Merian




    Frage 17:   Naturwissenschaft und Kunst

    Gibt es eine Verbindung zwischen Naturwissenschaft und Kunst?  Beide stehen der Welt gegenüber und setzten sich mit ihr auseinander. Ist nicht Leonardo da Vinci das beste Beispiel für die nahe Beziehung zwischen Naturwissenschaft und Kunst?

    Antwort zu Frage 17

    Die folgenden Aussagen beziehen sich auf die bildende Kunst, insbesondere die Malerei. Mathematische und musikalische Begabungen gehen oft zusammen, doch versteht der Autor viel zu wenig von Musik um darüber zu reden.

    Der große Renaissance-Künstler Leonardo da Vinci war in gleichem Maße innovativer Maler wie Wissenschaftler. Seine Gemälde gehören zu den berühmtesten der Welt : Das letzte   Abendmahl, die Mona Lisa....  Unbändiger Forscherdrang brachte ihn dazu, die Proportionen des Menschen zu studieren, den Flug der Vögel zu beobachten, Leichen zu sezieren (angeblich über 60). In späteren Jahren widmete er sich dem Studium des Wassers, der Botanik, Geometrie, Geologie, Astronomie. Es ist sicher kein Zufall dass ein solcher Mensch gerade in der Renaissance auftrat. Der Mensch der Renaissance legte Zerrbrille und Scheuklappen der mittelalterlichen christlichen Dogmatik ab und trat mit offenen Augen der Welt gegenüber, ob als Künstler oder als Wissenschaftler. Insofern ist Leonardo ein nur historisch zu verstehender Sonderfall.

    Im Großen und Ganzen sind die sachlichen  Berührungen zwischen Naturwissenschaft und Kunst recht spärlich, gewissermaßen punktuell, auch wenn die erste mathematisch formulierbare Beobachtung von Naturgesetzen durch Pythagoras an einem Musikinstrument erfolgte (Saitenlänge – Harmonie).

    Einige Berührungspunkte aus dem Bereich der bildenden Kunst  seien hier genannt.

    Die Natur als Künstler

    Autoren: CERN,  Echel Ben-Jacob; Anton Darhuber,
    Keneth Libbrecht, Les Lane, Gerhard Kubetchek




    In vielen physikalischen Zusammenhängen treten überaus reizvolle Formen auf. Wären sie von Menschenhand geschaffen, würde man sie ohne weiteres als Kunstwerke anerkennen.

    Da natürliche Vorgänge mathematisch formulierbaren Gesetzen folgen, liegt die Annahme nahe, es müsse zwischen den Gesetzen der Natur und den Gesetzen der Kunst Analogien geben. Bislang wurden solche Parallelitäten nicht entdeckt.
     

    Informationsästhetik

    Der Philosoph und Mathematiker Max Bense (1910-1990) versuchte, das Wesen der Kunst durch informationstheoretische Untersuchungen zu erfassen, also mathematisch nachzuvollziehen. Irgendwo zwischen Chaos und Banalität müsse Kunst liegen: Wirklich erhellende Ergebnisse haben weder er noch seine Schüler erreicht.
     

    Evolutionäre Ästhetik

    Diese Forschungsrichtung fragt danach, ob es in unserer Evolution liegende Gründe gibt, warum wir manche Dinge als schön empfinden und andere nicht. Die Argumente erscheinen oft plausibel, sind aber nicht wirklich beweisbar.

    Beispiel 1: Bevorzugte Lebensbedingungen
    Der beliebteste Landschaftstyp in der Kunst, gerne für die Darstellung des Paradieses verwendet,  ist die offene Parklandschaft, am besten mit einem Gewässer. Es ist die Savanne, die Landschaft, in der vor 6 Millionen Jahren die Entwicklung des aufrecht gehenden Vormenschen begann, gleichzeitig Überblick, Nahrung, Wasser, Schatten und Fluchtmöglichkeiten bietend.

    Beispiel 2: Sexuelle Selektion
    Neben dem Wettbewerb um Nahrungsressourcen und Überleben gegen Fressfeinde hat schon Darwin auf den Wettbewerb um Sexualpartner hingewiesen, der zur Herausbildung von Merkmalen wie dem Rad des Pfaus geführt hat. Menschen empfinden Gesichter als schön, die nahe am Durchschnitt einer Bevölkerung liegen. Männliche/weibliche Körperproportionen, Muskulatur, ein gewisses Maß an Fettreserven, glatte Haut, kräftiges Haar werden unbewusst als Indikatoren für gutes Genmaterial wahrgenommen und evolutionär bevorzugt. (Die weitgehend unbehaarte menschliche Haut, im Tierreich einmalig, wird bisweilen als "Ornament" gedeutet analog zum Pfauenrad, entstanden durch einen rückgekoppelten sexuellen Auswahlprozess ).

    Neuroästhetik

    Neurologen wie Semir Zeki und Vilayanur S. Ramachandran haben den Wahrnehmungsaspekt bei der Betrachtung eines Gemäldes untersucht. Nach ihrer Auffassung hängt die Wirkung eines Kunstwerkes davon ab, dass es auf Wahrnehmungsgesetze Rücksicht nimmt, die in der Evolution als dem Überleben nützlich erfahren wurden. Dazu gehören Mittel wie Übertreibung, Isolation der Form, Kontrastverstärkung, Symmetrie oder ihr Bruch, Ausrichtung und Gruppierung....   Bildgebende Verfahren der Hirnforschung haben gezeigt, dass die Empfindung des Schönen gewöhnlich mit einer Aktivierung des Stirnlappens einher geht, ebenso solcher Areale, die mit Emotionen in Verbindung gebracht werden      (Amygdala), sowie motorischer Areale.

    Mathematik und Kunst

    Beispiel 1:  Umsetzung mathematischer Funktionen

    Auf der Basis von Fraktalen lassen sich überaus reizvolle Strukturen und Muster erzeugen (auf Basis Benoit Mandelbaum, Bild links), ebenso durch die iterative Anwendung bestimmter mathematischer Gesetze (auf Basis Prof. Mario Markus, Bild Mitte). Die beliebige Verfeinerung (Selbstähnlichkeit) bei den Fraktalen entspricht häufig in der Natur beobachteten Formen (Farne, Kohl, Wolken, Eiskristalle ...) Auch naturwissenschaftliche Formeln können Ausgangspunkt für schöne Grafiken sein, wie insbesondere die Arbeiten von Eric Heller (Bild rechts) beweisen.

    Mathematische/geometrische Zusammenhänge erweisen sich als besonders reizvoll, wenn sie mit dem Limit des Unendlichen spielen.  Von l. nach r.: Sierpinski –Teppich (hier vom Autor); Menger-Schwamm ( hier von Paul Bourke);. "Kreislimit III" von   C.M. Escher; der Künstler hat sich diesem Aspekt mehrfach gewidmet und ihn mit einem anderen anspruchsvollen Gebiet der Geometrie verknüpft, der lückenlosen Kachelung.

    Beispiel 2: Der Goldene Schnitt


    Bewusst nach dem Goldenen Schnitt konstruiert: Wattlandschaft des Autors,
    Fraktal aufgebaut sind Wolken und Watt.

    Teilt man eine Strecke im Verhältnis von Phi = (1+ 51/2)/2 = 1,618... zu 1, so verhält sich das größere Teil zum kleineren  genauso wie die gesamte Strecke zum größeren Teil. Dieses Verhältnis wird als besonders harmonisch empfunden und in der Malerei und der Architektur – bewusst oder unbewusst – häufig angewandt.
    Das Verhältnis Phi hat viele reizvolle mathematische Aspekte (z.B. Bezug zu den Fibonacci-Zahlen). Aus ihm lassen sich "Goldene Quadrate", "Goldene Dreiecke", "Goldener Winkel", "Goldene Spirale" ableiten.  Einiges findet sich in Naturformen wieder, zum Beispiel in den Spiralen eines Korbblütlerfruchtstandes (Sonnenblume!).

    Insbesondere werden logarithmische Spiralen, die sich ja zunehmend schneller aufweiten,  als sehr schöne Form empfunden und mit mancherlei Symbolik aufgeladen. Das Gehäuse eines Nautilus realisiert eine solche Spirale. Spiralgalaxien gehören zu den schönsten Objekten des Universums.

    Eher selten werden mathematische Konstrukte als künstlerische Gestaltungselemente benutzt. Man erinnere sich an das Magische Quadrat in Dürers Melancholia, oder an Dali's Christus an einem Tesserakt ( vierdimensionalen Würfel.) als Kreuz. C.M. Escher verwendet das Möbius-Band, Knoten, Spiralen  und regelmäßige Körper, studiert Spiegelungen an Kugeln.

    Analogie zur Evolution: Die Theorie der Meme

    Nach Richard Dawkins kann man die Weitergabe kultureller Merkmale und Errungenschaften als "Meme" analog zur Weitergabe biologischer Merkmale durch Gene beschreiben. Zweifellos gibt es das auch immer wieder in der Kunst, dass bestimmte Lösungen als besonders befriedigend empfunden und an Nachfolger weitergegeben werden. Viele Maler haben ganz bewusst ihre Vorgänger im Museum studiert. Bestimmte Motive wurden immer wieder behandelt.
     

    Wissenschaft und Kunst helfen einander

    Bei der Erschaffung von Kunst kann die Wissenschaft kaum helfen. Bestenfalls kann sie faszinierende Sujets bieten. Sibylle Merian (links) und Ernst Haeckel (Mitte) haben wissenschaftliche  Illustrationen von hohem künstlerischen Wert geschaffen.

    Heute gibt es die "Space Art", die mit den Mitteln der Malerei die Wunder des Weltraums darstellt. Der Autor hat dazu  im Kontext seiner SF-Erzählungen einige Versuche mit dem Werkzeug der Montage gemacht (rechts).

    Die Wissenschaft kann mit ihren technischen Mitteln der Kunst helfen, wenn es um das Aufdecken von Fälschungen geht oder um die Frage, ob unter einem Gemälde wohl ein anderes verborgen ist. Manchmal kann die Wissenschaft auf sehr ungewöhnliche Weise helfen, wie der folgende Fall zeigt:

    Große Vulkanausbrüche befördern so viel Staub in die obere Atmosphäre, dass auf einige Jahre weltweit die Abendhimmel besonders rot erscheinen. Der  griechische  Atmosphärenphysiker Prof.  Christos Zerefos, den der Autor aus einem gemeinsamen Forschungsprojekt kennt, untersuchte mit seinen Mitarbeitern Gemälde  aus der Zeit von 1500 bis 1900 darauf, wie Künstler Sonnenuntergangs- Stimmungen gemalt haben. Er fand eine gute Korrelation mit historischen Vulkanausbrüchen.

    Der Ausbruch des Tambora z.B. in 1815 fand seinen Niederschlag in den prachtvollen Abendhimmeln bei J.M.W. Turner (der auch Goethes Farbenlehre aufgriff: "Licht und Farbe – Morgen nach der Sintflut")  und C.D.Friedrich.

    Edvard Munchs berühmtes Bild „Der Schrei“  war unsicher datiert. Munch sagte später: "Ich hielt an, lehnte mich an einen Zaun, denn ich war todmüde. Über dem blauschwarzen Fjord und der Stadt lag Blut in Feuerzungen. Meine Freunde gingen weiter – und ich wurde zitternd vor Angst zurückgelassen. Und ich fühlte, dass ein gewaltiger unendlicher Schrei durch die Natur ging".  Nach den Untersuchungen von Zerefos wurde das Bild mit hoher Wahrscheinlichkeit 1883 gemalt, als beim Ausbruch des Krakatau Staub in die  hohe Atmosphäre geschleudert wurde und zu spektakulär roten Sonnenuntergängen führte. Der Ausbruch  forderte 36 000 Menschenleben.
     
     
     

    18    Die Wissenschaft und die Ethik

    Richard Dawkins

    Dawkins ist dank seiner exzellent geschriebenen Bücher der bekannteste lebende Evolutionsbiologe.

    Gemälde: Aime Nicolas Morot:  Der barmherzige Samariter
    Cladogramm: Neal Olander: Tree of Life




    Frage 18:    Die Wissenschaft und die Ethik

    Eines muss zuvörderst festgehalten werden: Ethik ist kein primärer Gegenstand der Wissenschaften – Ethik ist ein ureigenes Thema der Philosophie. Wissenschaft kümmert sich um das was ist, Ethik/Philosophie u.a. um das was soll. Wissenschaftler werden häufig als Menschen dargestellt, welche ganz verantwortungslos handeln. Kann die Wissenschaft denn überhaupt etwas Konstruktives zu den Fragen der Ethik beitragen?

    Antwort auf Frage 18

    Wissenschaft hat in zweierlei Weise mit Ethik zu tun.

    Zunächst trägt der Wissenschaftler besondere Verantwortung:
     

    • Wenn er gefährliche Versuche durchführt (z.B. Gifte, Sprengstoffe, Biotechnik ...), hat er zurückhaltend und vorsichtig zu sein;
    • Wenn er über den weiteren Verlauf einer Entwicklung von allgemeiner Bedeutung Voraussagen machen kann, so muss er diese der Allgemeinheit zukommen lassen (z.B. Klimaveränderungen);
    • Wenn Diskussionen über ethische Aspekte von geschäftlichen Interessen oder religiösen Dogmen dominiert werden, hat er zur Versachlichung der Auseinandersetzung beizutragen (z.B. Gentechnik, Abtreibung, Sterbehilfe).


    Zum anderen kann die Wissenschaft Aufschluss darüber geben, wie bestimmte Verhaltensweisen des Menschen zu erklären sind (Evolutionslehre, Psychologie, Neurologie). Das kann Konsequenzen für Erziehung und Rechtsprechung haben.

    Angeborene Ethik?
     

    • Untersuchungen des Psychologen Marc Hauser (Harvard) haben in den letzten Jahren gezeigt dass offenbar allen Menschen gleichartige moralische Prinzipien „einprogrammiert“ sind (von jenen Soziopathen abgesehen bei denen nachweisbar im Gehirn gewisse Prozesse nicht in der gewohnten Form ablaufen). Zu den offenbar universalen – angeborenen - moralischen Prinzipien gehört nach Marc Hauser:
    • Beabsichtigter Schaden ist moralisch schlimmer als nur vorhergesehener;
    • Schaden durch Körperkontakt ist verwerflicher als Schaden ohne Berührung (Hinweis  des Verfassers: moderner Krieg leicht gemacht!);
    • Beim selben negativen Ergebnis ist eine verursachende Handlung schlimmer als eine Unterlassung (Beispiel Sterbehilfe!).
    Ein Unterschied im spontanen moralischen Urteil zwischen religiösen Menschen oder Atheisten/Agnostikern konnte Hauser nicht feststellen.

    Andererseits aber drückt sich Moral in verschiedenen Gesellschaften in sehr unterschiedlichen Verhaltensregeln aus. Hauser zieht den Vergleich mit der Sprachentwicklung: „In the same way, the universal moral grammar is really a tool-kit for building possible moral systems. The particular moral systems are always filled in by the local culture”.

    Ererbte oder erworbene, eigentlich positive moralische Prinzipien können  auch ins Destruktive umschlagen oder missbraucht werden: Aus der Identifikation mit und Loyalität zur eigenen Gruppe kann Fremdenhass und Völkermord werden.

    Evolution: Aggression und Altruismus

    Die Evolution des Lebens beruht darauf, dass nicht alle Mitglieder einer Art die gleichen vererbbaren körperlichen und verhaltensmäßigen Eigenschaften  besitzen. Wer besser mit den gegebenen Verhältnissen zurechtkommt und Geschlechtspartner zu gewinnen weiß, pflanzt sich fort und gibt seine überlegenen Eigenschaften weiter (soweit sie erblich sind).   Ist das ein rücksichtsloser Wettkampf jeder gegen jeden? Nicht unbedingt.
    Viele Tiere – und natürlich wir Menschen – leben in Gruppen. Keine Gemeinschaft kann ohne Kooperation existieren. Eigentlich eine triviale Aussage. Wie sich kooperatives Verhalten in Gruppen realisiert lässt sich selbst bei so einfachen Lebewesen wir Bakterien im Experiment beobachten, und es lässt sich in Simulationen nachvollziehen. „Kooperation“ und „Moral“ aber sind ganz eng verwandt. Im Tierreich wurde zum Beispiel nicht nur bei Menschenaffen, sondern auch bei Kolkraben beobachtet, dass im Streit unterlegene Tiere durch Dritte getröstet werden, was Stress innerhalb der Gruppe abbaut. Wie sind solche Verhaltensweisen evolutionsbiologisch zu erklären?

    Viele Evolutionsvorgänge lassen sich einfacher verstehen wenn man den Blickwinkel ändert und nicht die Individuen, sondern die Gene selbst als die eigentlichen Einheiten des Lebens auffasst. Das Konzept wurde von dem englischen Forscher Richard Dawkins ausgearbeitet und mit dem Buch „Das egoistische Gen“ popularisiert.

    Dawkins weist darauf hin, dass nur Gene (oder Gengruppen) diejenigen genetischen Einheiten sind, welche in der Lage sind identische Kopien ihrer selbst zu erzeugen; er nennt sie „Replikatoren“. Schon die Chromosomen werden bei der Meiose (Bildung von Samen- und Eizelle) immer neu zusammengesetzt und sind insofern einzigartig und mit dem Individuum vergänglich.  Gene existieren in Populationen in großer Zahl als identische Kopien (Varianten werden als Allele bezeichnet), sie können viele (potentiell unendlich viele) Generationen von Individuen überdauern. Sie können daher als Einheit der natürlichen Auslese dienen. Die Gene setzen  möglichst wirkungsvolle Hilfsmittel – die ausgebildeten Lebewesen  –  als „Überlebensmaschinen“ ein, um sich selbst zu erhalten und zu vermehren.

    Diese Betrachtungsweise bewährt sich vor allem bei Fragen der Evolution des Sozialverhaltens (Männchen und Weibchen, Eltern und Kinder, Verwandte, Kooperation, Altruismus, staatenbildende Insekten).

    Eine der schlimmsten Missdeutungen der Darwinschen Theorien ist die Meinung, sie impliziere einen erbarmungslosen Kampf jeder gegen jeden, zumal wenn diese Anschauung auf die menschliche Gesellschaft übertragen wird ("Sozialdarwinismus").

    Zwar beschreibt man im Sinne von Dawkins  Evolutionsprozesse so als verhalte sich ein bestimmtes Gen "egoistisch" – es ist nur an seiner Vervielfachung „interessiert“. Aber diesem Interesse des Gens „unendlich weiter zu bestehen und sich zu vervielfachen“ ist ganz häufig am besten dadurch gedient dass seine „Überlebensmaschinen“, das sind alle jene individuellen Lebewesen die es in sich tragen, sich altruistisch und kooperativ verhalten. Das gilt notwendigerweise für alle in Gruppen lebenden Tiere – also auch für den Menschen.

    Insbesondere gilt es  für enge Verwandte (Elternteil-Kind, Geschwister), die ja 50% gleiche Gene haben. Wer da dem anderen hilft, sichert direkt das Überleben der eigenen Gene ("Verwandtenaltruismus"). Dieses Verhalten wird sich also im "Genpool" durchsetzen.

    Aber auch nicht verwandte Mitglieder einer sozialen Gruppe profitieren, wenn sie sich gegen andere kooperativ verhalten und diese irgendwann die Wohltaten erwidern. Auch für solchen "reziproken Altruismus" gibt es bereits bei den Primaten Beispiele. Wer sich hingegen nicht loyal verhält, wird schnell auf die Vorteile des Lebens in der Gruppe verzichten müssen – seine Gene haben schlechtere Chancen zu überleben.

    Spieltheoretische Analysen (zuerst eingeführt von John Maynard Smith) und Simulationen haben belegt, dass nicht Aggressivität und Hinterlist, sondern die grundsätzliche Bereitschaft zur Kooperation auf Dauer den größten Erfolg verspricht (>>Sei bei der ersten Gelegenheit kooperativ, danach aber gilt „Wie du mir, so ich dir“ <<  ist eine simple, aber sehr erfolgreiche Strategie). Gene, die solches Verhalten programmieren, werden sich in einer Population durchsetzen. "Nette Kerle kommen zuerst ans Ziel" heißt das einschlägige Kapitel in Dawkins berühmten Buch mit dem oft missverstandenen Titel "Das egoistische Gen".

    Um die Hilfsbedürftigkeit eines anderen zu erkennen, bedarf es des Mitgefühls – des Mit –Fühlens der Empfindungen des anderen. Obwohl ihre Funktion noch nicht in allen Einzelheiten geklärt ist, scheinen die "Spiegelneuronen" hier eine entscheidenden Rolle zu spielen. Spiegelneuronen sind Nervenzellen im Gehirn von Primaten, also auch beim Menschen,  die beim Wahrnehmen eines Vorgangs das gleiche Aktivitätsmuster aufweisen, wie es entstünde, wenn dieser Vorgang nicht bloß beobachtet, sondern selbst durchgeführt oder durchlitten würde. Ihr "Feuern" führt zu der gleichen, wenn auch abgeschwächten Emotion wie bei dem beobachteten anderen Menschen/Tier. Die Fähigkeit zur Empathie scheint also bei Primaten neurologisch begründet zu sein.

    Also alles heile Welt? Nein. Je nach Umständen kann es auch anders aussehen. Zwar ist der Mensch das einzige Tier das in größtem Maßstab und oft aus unbedeutenden Anlässen seine Artgenossen tötet. Aber auch bei unseren nächsten Verwandten, den Schimpansen, sind das Ermorden fremden Nachwuchses und mit äußerster Brutalität geführte Angriffe auf unterlegene konkurrierende Gruppen  normales Verhalten.

    In der Natur gibt es moralische Kategorien nicht. Aggression und Kooperation können, ganz nach Situation, der Weitergabe der eigenen Gene dienen. „Gut“ und „Böse“ sind Begriffe der menschlichen Gesellschaft. Angesichts unseres  natürlichen Erbes kann aber nicht überraschen dass der Einfluss des gesellschaftlichen Umfeldes, der Kultur (im allgemeinen Wortsinn) sich zum Guten wie zum Schlimmen auswirken kann: beides ist in uns angelegt.

    Ethik und Neurologische Defekte

    Bis wurde stillschweigend unterstellt, dass das Gehirn des einzelnen Menschen gesund ist. Antonio R. Damasio stellt dazu fest: „Infolge Hirnschädigungen [können] soziale Konventionen und moralische Regeln ihre Verbindlichkeit verlieren, ohne dass allem Anschein nach grundlegende geistige und sprachliche Fähigkeiten beeinträchtigt sind.“  Schäden im Gehirn können im Erwachsenenalter grobmaßstäblich sein (z.B. Verwundungen – klassisches Beispiel: der Fall Phineas Gage) , anderseits „resultiert die Beeinträchtigung  der entwicklungsbedingten Soziopathen ..... aus abnormen Schaltungen und abnormer chemischer Signalgebung, die frühzeitig in der Entwicklung einsetzen“.

    Es liegen reichlich Belege dafür vor, dass angeborene oder erworbene Schädigungen im Stirnhirn und im limbischen System (in der Amygdala) die emotionale Balance und das Sozialverhalten stören und verbrecherisches Verhalten auslösen können. Störungen des Hormonhaushaltes spielen dabei eine wichtige Rolle. Sie können genetisch bedingt sein. Zumindest ein hier bedeutsames Gen konnte identifiziert werden: das Monoamino-Oxidase-Gen, kurz MAO-Gen. Produziert der Körper MAO in zu niedriger Dosis, so wird der Botenstoff Serotonin nur sehr langsam abgebaut, die betroffenen Männer neigen häufig „zu Gewaltausbrüchen oder sogar zu einer Verbrecherlaufbahn“ (Markowitch/Siefer). Die Tatsache, dass viel mehr Männer als Frauen zu Gewaltverbrechern werden, weist auf die Bedeutung von Sexualhormonen hin. Soziale Prägung in der Jugend und soziales Umfeld allgemein wirken sich im Einzelfall verstärkend aus. - Der Einfluss des "Kuschelhormons" Oxytocin auf das soziale Verhalten wird noch weiter erforscht.

    Durch neurologische Schäden verursachter Mangel an Emotionen (auch an Angst!), Mangel an Empathiefähigkeit, Mangel an Unrechtsbewusstsein, Neigung zur Aggressivität muss nicht zu Gewalttätigkeit und Straffälligkeit führen. Bei hoher Intelligenz kann der Weg den Soziopathen auch in das Spitzenmanagement von Unternehmen führen: „Die meisten Soziopathen bringen ..... keine Leute um, sondern  machen stattdessen Karriere“ (Friedhelm Schwarz).
     

    "Der Freie Wille"

    Ein schwieriges und immer wieder kontrovers diskutiertes Thema ist die Frage der Willensfreiheit. Auch hier kann  die Wissenschaft etwas sagen.

    Willensfreiheit im traditionellen Sinn basiert auf der streng dualistischen Vorstellung, dass der Geist eines Menschen, frei von jeden äußeren Einflüssen und denen des Körpers, sich zwischen Handlungsalternativen beliebig entscheiden könne. Ein Mensch ist demnach z.B. völlig frei sich für eine gute oder eine böse Handlungsweise zu entscheiden.  Dies aber ist eine unrealistische Voraussetzung, weil jeder Mensch in seinem Denken durch seine genetische Ausstattung, Erziehung und Sozialisation vorgeprägt ist.  Eine Entscheidung völlig frei von jeglichen Einflussgrößen ist  schlicht unmöglich. Sie ist aber auch nicht wünschenswert: das Ergebnis könnte ja nur zufällig sein.

    Die Verkündigung vollkommener Willensfreiheit war für die real existierende christliche Religion (die Kirchen) sehr wichtig, weil allein sie die Berechtigung für die Einweisung des Menschen in Himmel oder Hölle am Jüngsten Tage liefert  - und diese maßlose Drohung/Verheißung war für die Macht der Kirche wichtig.

    Heute werden geistige/psychische/seelische Prozesse als ein emergentes Phänomen der Tätigkeit des Gehirns gesehen. Zahlreiche Versuche haben gezeigt: dem bewussten Wollen gehen Prozesse auf tieferer, dem Bewusstsein nicht zugänglicher  neuronaler Ebene voraus (Benjamin Libet, Haggard und Eimer, Alvaro Pascual-Leone, John Dylan-Haynes, Holk Cruse). Es ist vor allem das Unbewusste von dem der Wille ausgeht! Insofern kann man unser bewusstes Wollen als determiniert auffassen. Diese Determiniertheit des Wollens empfinden wir niemals als eine Einschränkung. Die Freiheit nach der wir uns sehnen ist nicht Willensfreiheit sondern Handlungsfreiheit: Freiheit zu äußerem Handeln und zum Denken.

    Neuerlich findet man die Behauptung, der Mensch besitze Freiheit aufgrund quantenmechanischer Prozesse – das Verhalten des Menschen sei nicht durchgängig determiniert, ergo „frei“. Im Quantenbereich gibt es keine strikte Kausalität und daher keine Vorhersagbarkeit für den Einzelfall, nur Wahrscheinlichkeiten entwickeln sich gesetzmäßig. Im realen Einzelfall entscheidet der Zufall. Unvorhersagbarkeit wird von den Vertretern dieser Richtung mit Freiheit gleichgesetzt und daraus Willensfreiheit abgeleitet. Solche "Willensfreiheit" hat natürlich mit Ethik nichts zu tun.

    Auch im Nervensystem gibt es „Thermisches Rauschen“, d.h. es entstehen Signale und werden hochverstärkt, die auf zufälligen Vorgängen im Mikrokosmos beruhen. Es ist daher durchaus vorstellbar, dass bei sonst völlig gleichem Antrieb für zwei verschiedene Verhaltensweisen („gleiche Attraktoren“) ein zufälliges Signal den Ausschlag gibt. Dass unsere Körper in der Regel störungsfrei funktionieren, dass wir in aller Regel folgerichtig und konsistent handeln, dass ein Pianist ein ganzes Klavierkonzert fehlerfrei spielen kann, zeigt dass dieses zufällige Element eine sehr geringe Rolle spielt.

    Im Übrigen: Ist dies wirklich „Freiheit“,  wenn unser Handeln nicht von der Summe aller Antriebe und Erfahrungen, sondern vom Zufall bestimmt wird?

    Einstein sagte zu dem Thema:

    "Ich glaube nicht an die Freiheit des Willens. Schopenhauers Wort: 'Der Mensch kann wohl tun, was er will, aber er kann nicht wollen, was er will', begleitet mich in allen Lebenslagen und versöhnt mich mit den Handlungen der Menschen, auch wenn sie mir recht schmerzlich sind. Diese Erkenntnis von der Unfreiheit des Willens schützt mich davor, mich selbst und die Mitmenschen als handelnde und urteilende Individuen allzu ernst zu nehmen und den guten Humor zu verlieren."
     

    19    Die Wissenschaft und die menschliche Seele

    William von Ockham      Ibn Sina

    Ein über die Jahrhunderte leuchtendes Beispiel klaren Denkens ist William von Ockham (circa 1285-1347). Ibn Sina war ein islamischer Universalgelehrter.

    Gemälde: Hieronymus Bosch :  Aufstieg der Seeligen in das Paradies.
    Miniatur Ibn Sina: Autor unbekannt




    Frage 19:   Die Wissenschaft und die menschlichen Seele

    Aus der Schilderung von so genannten Nah-Tod-Erlebnissen (Rückkehr ins bewusste Leben mit der Erfahrung, eigentlich bereits tot gewesen zu sein) ist eine neue Diskussion über die seit Urzeiten vor allem religiös vertretene These erwachsen, dass wir eine Seele hätten, die unseren Körper überdauern kann, entweder indem sie zu einem anderen, gerade erst beginnenden Menschenleben hinüber wechselt (>Seelenwanderung<) oder indem sie in ein Jenseits entschwebt, das entweder himmlisch oder auch eine Hölle sein könne. Gibt es für die Richtigkeit dieser These irgendwelche verlässlichen Anhaltspunkte, gibt es aus wissenschaftlicher Sicht überhaupt >die Seele< (und nicht nur seelische, also im Gehirn stattfindende Vorgänge aller Art)?

    Antwort auf Frage 19

    Seit Raymond A. Moody 1977 zum erstem Mal in einem Buch das Phänomen beschrieb, erfreut sich das Thema ungebrochenen Interesses, beschäftigt es sich doch mit einem gewöhnlich Angst einflössenden Aspekt des Daseins eines Jeden.

    Bislang gibt es keinerlei  Anhaltspunkte für geistige Vorgänge außerhalb des Gehirns. Alles was an übersinnlicher Wahrnehmung und dergleichen behauptet wurde, hat wissenschaftlicher Überprüfung nicht standgehalten. Auch  beim Thema "Nahtodeserlebnisse" haben wir es zunächst einmal mit einer Aktivität des Gehirns zu tun: Alles was wir über das Erlebnis erfahren, entstammt dem Gedächtnis im lebendigen Gehirn des dem Tode entronnenen Menschen. Das ist grundsätzlich unbefriedigend, man möchte gerne Beweise für dir Realität der erinnerten Vorgänge sehen.

    Als Nahtoderlebnisse werden  Erfahrungsberichte aus einer Phase bezeichnet, in welcher  der Körper in einem lebensbedrohlichen Zustand war und der Betroffene bewusstlos erschien. Etwa jeder fünfte wiederbelebte Infarktpatient soll sie haben (vielleicht sollte man präziser schreiben: "soll sich daran erinnern").

    Nahtod-Erlebnisse beinhalten Elemente aus der folgenden Liste:
    · Durchgang durch einen Tunnel, an dessen Ende ein helles Licht scheint;
    · Helles Licht, das als Sonne, Gott , Engel ... wahrgenommen wird
    · Erscheinen von Verwandten (meistens früher verstorbenen) und von übernatürlichen Gestalten (Heilige, Jesus ...), Eintritt in das Jenseits
    · Lebensrückschau.
    · Außerkörperliche Erfahrungen: der Betroffene sieht sich selbst
    · Rückkehrentscheidung.

    Nahtoderlebnisse werden überwiegend als beglückend erfunden, die Einstellung zu Leben und Tod ändern sich. Religiosität kann erwachen.

    Wie nicht anders zu erwarten, fassen viele Menschen die Tatsache der Nahtoderlebnisse als Bestätigung ihres Jenseitsglaubens auf - bezeichnen sie gar als Beweis für die Existenz Gottes und seines Reiches.  Die Kirchen begegnen  dem Phänomen eher zurückhaltend: "Diese Erlebnisse sagen etwas über den Sterbeprozess, nicht über den Tod" (Theologieprofessor und Religionswissenschaftler Michael von Brück).

    Einen sehr eindeutigen Kommentar hat der große Physiker Stephen Hawking abgegeben: Er sagte der Zeitung "The Guardian", er betrachte das Gehirn als eine Art Computer, der bei Fehlfunktion die Arbeit einstellt: "Es gibt keinen Himmel oder Leben nach dem Tod für kaputte Computer; das Ganze ist ein Märchen für Leute, die sich in der Dunkelheit fürchten". Die Mehrheit aller Naturwissenschaftler würde dem zustimmen, vielleicht nicht so pointiert formulieren.

    Einschlägige Wissenschaftler bemühen sich zu verstehen, was im Gehirn während solcher Erlebnisse vorgeht. Einige Erscheinungen treten ja auch unter ganz anderen Umständen auf, die nichts mit Nahtod zu tun haben:

    Verlassen des Körpers und Blick auf sich selbst ("Out-of-Body-Experiences" = "OBE") tritt unter Drogen auf, in selbstinduzierter Trance, bei großem Blutverlust (Sauerstoffmangel im Gehirn!), Blitzschlag, Reizung eines bestimmten Bereiches im rechten Schläfenlappen bei einer Gehirnoperation wegen schwerer Epilepsie, Schlafparalyse (dort auch willentlich herbeigeführt), Meditation  .....

    OBEs sind wohl das einzige Element der Nahtodeserfahrung, das experimentell überprüft werden kann. Seit  2008  läuft das Forschungsprogramm AWARE (AWAreness during Resuscitation), bei dem bei der Wiederbelebung  eines Menschen im    Operationssaal auffällige Dinge so platziert werden, dass sie der Patient nur sehen kann, wenn er tatsächlich seinen Körper verlässt und von oben auf sich herabschaut. Ergebnisse des Programms wurden bislang nicht veröffentlicht.

    Der Eindruck eines engen Tunnels mit Licht am Ende kann auf Sauerstoffmangel im Gehirn zurückgeführt werden. Gesunde Kampfpiloten können eine solche Tunnelvision erleiden, wenn ihr Gehirn bei zu hoher g-Belastung unterversorgt wird. Bei hoher Schwerkraft werden zunächst die am weitesten von der versorgenden Ader entfernten Ränder der Netzhaut nicht ausreichend versorgt. Das Bild verliert vom Rand her seine Farbe und wird dann vom Rand zur Mitte hin nach und nach dunkler.

    Simulation eines Tunnelerlebnisses bei Sauerstoffmangel im Gehirn
    (nach Prof. Mario Markus)




    Tunneldarstellungen finden sich in der Kunst lange vor der aktuellen Diskussion, so bei Hieromymus Bosch und bei Gustave Dorè:
     
     




    Drogen wie LSD, Meskalin, Ketamin und Haschisch rufen vereinzelte Elemente der Nahtodes-Erfahrung oder sogar eine vollständige Sequenz  hervor. Körpereigene Botenstoffe, in extremer Stresssituation ausgeschüttet, können für komplexe Halluzinationen beim Nahtodeserlebnis verantwortlich sein. Auch Klarträume und Oneiroide können zum Vergleich dienen. (Anmerkung: Oneiroide sind zumeist belastende traumartige Erlebnisse, wenn ein Kranker trotz funktionierenden Gehirns tagelang nicht ansprechbar ist. Der erwachte Kranke erinnert  sie als reale Erlebnisse, lässt sich nur schwer davon abbringen).

    Versuche mit Ratten an der University of Michigan zeigten eine in den ersten 30 Sekunden nach dem erzwungenen Herzstillstand ungewöhnlich Hyperaktivität des Gehirns. "Unsere Studie zeigt uns, dass die Reduktion von Sauerstoff, Stickstoff und Glukose während des Herzstillstandes Hirnaktivitäten stimulieren kann, wie sie eigentlich für bewusste Wahrnehmungen charakteristisch sind" (Dr. Jimo Borjigin).

    Halluzinationen sind mit vielerlei Gehirnsituationen verbunden, religiöse Erscheinungen nicht ungewöhnlich. Erwähnenswert ist, dass es kulturelle Unterschiede zu geben scheint: (Nur Christen haben Marienerscheinungen ...).

    Nach dem jetzigen Stand erscheint die Erklärung der Nahtoderlebnisse durch neurologische Vorgänge der Wissenschaftler als plausibler im Vergleich zu einem Beweis für das Jenseits.

    An dieser Stelle sei an den Franziskaner William von Ockham (1288? – 1347) erinnert, Theologe, Naturphilosoph, Logiker und politischer Schriftsteller. Naturwissenschaftler zitieren heute noch gerne "Ockhams Messer" (Ausdruck nicht von ihm selbst), den Aufruf zum Sparsamkeitsprinzip: „Vermehre Entitäten nicht über Notwendigkeit hinaus“ (Formulierung aus dem 17.Jahrhundert) – das heißt: „Wenn es für eine Sache eine gute Erklärung gibt, dann soll man sie nicht mit unnötigen Annahmen beladen".

    In unserem Falle: Solange die Neurologie Antworten zu geben verspricht, wird ein Wissenschaftler nicht ein Jenseits postulieren. Man könnte hier auch den amerikanischen Kosmologen Carl Sagan zitieren, der sagt: "Ungewöhnliche Behauptungen erfordern ungewöhnliche Beweise" – und die fehlen.

    Jetzt zum  eigentlichen Thema, der Frage nach einer vom Körper ablösbare unsterbliche  Seele. Da ist die Antwort für die allermeisten Wissenschaftler klar: So etwas gibt es nicht.

    Die unsterblich Seele der Kirche ist ja auch ein seltsames Konstrukt: Sie wird  von Gott bei  der Zeugung den Vertretern der Spezies Homo sapiens eingepflanzt, begleitet wie ein gespenstiges Double den Menschen durch das Leben ohne je in Erscheinung zu treten, wird nach dem Tod frei um belohnt oder bestraft zu werden. Während doch Liebe und Hass, Hoffnung und Verzweiflung, Freude und Sorge, Mitleid und Verachtung – kurz alles das, was wir gewöhnlich als seelische Vorgänge bezeichnen, an das lebendige Gehirn gebunden ist?! Nebenbei gefragt: Hat Gott schon dem Homo erectus eine Seele gegeben, oder erst dem Homo sapiens? Oder haben auch Tiere eine unsterbliche Seele?

    Der orthodoxe Islam behauptet die körperliche Auferstehung des Menschen. Einer der größten Wissenschaftler aller Zeiten, der persische Arzt, Physiker, Theologe, Philosoph, Jurist, Mathematiker, Astronom, Alchemist, Musiktheoretiker Abu Ali al-Husain ibn Abdullah Ibn Sina  ( kurz: Ibn Sina, latinisiert Avicenna) (980-1037), wusste aus seiner erfolgreichen medizinischen Tätigkeit von der engen Wechselwirkung zwischen Körper und "Seele".   Dazu gibt es die folgende hübsche Überlieferung: Zu den vielen psychischen Störungen, die er im "Medizinischen Kanon" beschreibt, gehört auch die Liebeskrankheit. Wie es heißt, hat Ibn Sina die Krankheit des Prinzen von Gorgan diagnostiziert, der bettlägerig war und dessen Leiden die örtlichen Ärzte verwirrte. Ibn Sina bemerkte ein Flattern im Puls des Prinzen, als er die Adresse und den Namen seiner Geliebten erwähnte. Der große Arzt hatte ein einfaches Heilmittel: Der Kranke sollte mit seiner Geliebten vereint werden.

    Er entwickelte zur Wechselwirkung zwischen Körper und "Seele" eine komplexe Lehre und bestritt – zumindest nach der Interpretation der Islamischen Föderation Wien - die Unsterblichkeit der menschlichen Seele, Gottes Interesse an Einzelereignissen sowie eine Erschaffung der Welt in der Zeit – was ihm die Feindschaft der muslimischen Theologen einbrachte. Er lebte als frommer Muslim.

    "Die Seele" kommt in der heutigen Wissenschaft nur im Sinne von "die Psyche" vor: Die Gesamtheit aller Gefühlsregungen und geistigen Vorgänge in einem Menschen. "Die Seele" in diesem Sinne fasst gehirnfundierte Prozesse zusammen, ist ein Oberbegriff, ist aber selbst kein unabhängig existierendes Etwas.

    An dieser Stelle muss angemerkt werden, dass nach einer Umfrage von 2006 ein Großteil der angehenden Psychologen noch einem dualistischen Weltbild anhängt und überwiegend einen (wie auch immer definierten) freien Willen annimmt. Offenbar sind sie nicht auf der Höhe der neurologischen Forschung. Diese Einstellung macht sie nach Ratey (siehe Literatur) blind dafür, dass ein erheblicher Teil psychischer Probleme neurologische Grundlagen hat. Sie glauben konsequenterweise mehrheitlich an eine geistige Existenz nach dem Tode.
     

    Schlussbemerkung

    C.D. Friedrich: Der Wanderer über dem Nebelmeer, Kunsthalle Hamburg.
    Planetarischer Nebel NGC 7293 Helixnebel, auch bekannt als "Auge Gottes".

    Der Philosoph und der Wissenschaftler stehen gleichermaßen staunend vor dem Rätsel dieser Welt.

    "Das Schönste, was wir erleben können, ist das Geheimnisvolle. Es ist das Grundgefühl, das an der Wiege von wahrer Kunst und Wissenschaft steht. Wer es nicht kennt und sich nicht mehr wundern, nicht mehr staunen kann, der ist sozusagen tot und sein Auge ist erloschen."

    Bibliographie

    Fortschritt liegt im Wesen der Wissenschaft – er ist ihr Ziel! Zu allen Fragen informiere man sich über den letzten Stand im Internet, bei Wikipedia oder auf den vielen relevanten Seiten, die man mit "Googeln" erreicht.

    Die folgende Liste führt deswegen nur Bücher auf, welche der Autor bei der Beantwortung der Fragen genutzt hat.

    1  Vom Sinn des Universums

    Die Feinabstimmung der Naturkonstanten, Voraussetzung für unser lebensfreundliches Universum
    Martin Rees: "Just Six Numbers"
    Basic Books 2000   ISBN-13: 978-0-465-03673-8

    Grundfragen der Kosmologie mit Akzent auf dem Multiversum
    Paul Davies: "The Goldilocks Enigma – Why is the Universe Just  Right for Life?"
    Mariner Books 2006   ISBN 978-0-618-59226-5

    2   Das Problem des Urknalls

    Geschichte und Erkenntnisse der Astronomie und Kosmologie, sehr ausführlich
    Simon Singh: "Big Bang"
    Harper  Perennial 2005      ISBN 0 00 715252 3

    3   Der erste Anfang des Universums

    Eine Tour-de-force der Kosmologie bis hin zu den aktuellen Überlegungen zu Entstehung des Universums
    Lawrence M. Krauss: “A Universe from Nothing – Why There is Something Rather than Nothing”
    Free Press 2012  ISBN 978 – 1 – 4516 – 2445 – 8

    u.a. Überlegungen zur Raumzeit in der Nähe des Urknalls
    Stephen Hawking and Leonard Mlodinow: The Grand Design
    Bantam 2012    ISBN  978-0-553-84091-9

    4   Multiversum-Hypothesen

    Eine Übersicht über Multiversum-Hypothesen
    Brian Green: "The Hidden Reality – Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos"
    Vintage Books 2011   ISBN  978-0-307-27812-8

    Einführung in die String-Theorie
    Brian Greene: "The Elegant Universe"
    Random House 1999     ISBN 0 09 928992 X

    Tiefgehende Überlegungen zur String-Theorie
    Lisa Randall: "Verborgene Universen."
    Fischer 2006     ISBN  978-3-596-17438-6

    Neue Vorstellungen zum möglichen Aufbau des Universums:
    Michio Kaku: "Im Paralleluniversum. Eine kosmologische Reise vom Big Bang in die 11. Dimension"
    rororo 2006     ISBN 3 499 61948 2
     

    5  Nachweis belebter Exoplaneten

    Beleuchtet das Thema von vielen Seiten
    Harald Lesch / Jörn Müller:
    "Big Bang, zweiter Akt – auf den Spuren des Lebens im All"
    Goldmann 2005 ISBN 978-3-442-15343-5

    6   Entstehung des Lebens, Leben im Universum

    Eine Einführung in die biochemischen Hypothesen
    Sven P. Thomas: "Ursprung des Lebens"
    Fischer 2005   ISBN  3-596-16128-2

    Lech/Müller wie in Frage 5

    7    Die Abstammung des Menschen –
          Evolution oder göttliche Schöpfung

    Ein umfassendes Standardwerk zur Evolution
    Ernst Mayr: „Das ist Evolution“
    Goldmann 2005      ISBN-10:  3-442-15349-2

    Grundlagen und Funktionsweise der Evolution wird anschaulich dargestellt.
    Richard Dawkins: "Der blinde Uhrmacher"
    Originalausgabe 1986   Deutschsprachige Erstausgabe 1987
    Unveränderte Neuausgabe dtv 2008
    ISBN 978-3-423-34478-4

    Grundlagen der Evolution; Evolution zahlreicher Tiergruppen erläutert mit vielen Diagrammen und Abbildungen; Kritische Auseinandersetzung mit den Kreationisten
    Donald R. Prothero: „Evolution – What the Fossils Say and Why It Matters“
    Columbia University Press 2007  ISBN 978-0-231-13962-5

    Die Spuren der Evolution im menschlichen Körper, die Entdeckung des Tiktaalik
    Neil Shubin: "Your Inner Fish"
    Vintage Books 2008   ISBN 978-0-307-27745-9

    Brillant illustriert, behandelt ausgewählte Aspekte der Evolution
    "Evolution – Die ersten vier Milliarden Jahre"
    GEO kompakt Nr.23           2011

    Die Menschwerdung von vielen Seiten beleuchtet
    "Evolution und Kultur des Menschen"
    Forum für Verantwortung
    Fischer 2010      ISBN  978-3-596-18721-8

    8  Gab es Adam und Eva wirklich?

    Ein Standardwerk – fasst unser  Wissen zusammen
    Ernst Mayr: "Das ist Evolution"
    Goldmann 2005    ISBN –10: 3 – 442 – 15349 – 2

    Eine überaus  reiche Darstellung der Evolution, rückwärts von der Gegenwart zum Ursprung erzählt
    Richard Dawkins: "The Ancestor's Tale –
    A Pilgrimage to the Dawn of Life"
    Phoenix/ Orion Books 2005    ISBN  978 – 0 – 7538 – 1996

    9  Wissenschaft und die Frage nach der Realität

    Mit Kapitel 3 „What is Reality?“
    und Ausführungen zu einem Multiversum-Konzept
    Stephen Hawkins / Leonard Mlodinow : “The Grand Design“
    Bantam Books 2011     ISBN 978-0-553-84091-9

    Grundlagen; Pro und Kontra der Evolutionären Erkenntnistheorie
    Gerhard Vollmer:
    "Wieso können wir die Welt erkennen?"
    In: Forum für Verantwortung – Evolution
    Fischer 2003    ISBN   3 – 596 – 15905 – 9

    Grundfragen der Physik und Kosmologie ausführlich behandelt, von Newtons Weltbild bis hin zur Stringtheorie.
    Brian Green: "Der Stoff aus dem der Kosmos ist. Raum, Zeit und die Beschaffenheit der Wirklichkeit."
    Goldmann 2008    ISBN: 978-3-442-15487-6

    10 Wesen und Grenzen der Wissenschaft

    Über die Prinzipien der Forschung in der Physik
    Lawrence M. Krauss: "Fear of Physics"
    Basic Books 2007   ISBN 13 978-0-465-00218-4

    Die Entdeckung des "Teilchenzoos" Schritt für Schritt
    Nigel Calder : The Key to the Universe
    Penguin 1977    ISBN  0 14 00.5065 5

    11    Mikro und Makro – Zufall und Kausalität

    Enthält auch ein Übersichtskapitel zur Quantenphysik
    Lisa Randall: "Verborgene Universen"
    S. Fischer 2006       ISBN  978-3-596-17438-6

    Geschichte und Inhalte der Quantenphysik, klar und ausführlich
    John Gribbin: "Auf der Suche nach Schrödingers Katze"
    Piper 1987    ISBN  978-3-492-24030-7

    Geschichte und Inhalte der Quantenphysik, neuere Erkenntnisse und Deutungen
    John Gribbin: "Schrödingers Kätzchen"
    Fischer 1998     ISBN 3-596-14151-6

    In welchem Ausmaß der (deterministische) Zufall unser Leben bestimmt.
    Leonard Mlodinow: "The Drunkard's Walk"
    Vintage Books 2008    ISBN 978 – 0 – 307 – 27517 - 2
     

    12   Vom Wesen der Zeit

    Enthält mehrere ausführliche Kapitel zum Thema Zeit
    Brian Green: "Der Stoff, aus dem der Kosmos ist"
    Goldmann 2008    ISBN 978 – 3- 442 – 15487 - 6

    13    Gleichzeitigkeit in der Speziellen Relativitätstheorie

    Der Klassiker gibt auch eine Übersicht über die
    Relativitätstheorien
    Stephen W. Hawking: "Eine kurze Geschichte der Zeit"
    Rowohl 1988  ISBN  3 498 028847
     

    Das Buch über die Superstring-Theorien enthält auch sehr anschauliche Abschnitte über die Relativitätstheorien.
    Brian Greene: "The Elegant Universe"
    Random House 1999     ISBN 0 09 928992 X

    Enthält ein gutes Übersichtskapitel zu den Relativitätstheorien
    Lisa Randall: "Verborgene Universen."
    Fischer 2006     ISBN  978-3-596-17438-6

    14  Kosmologie und Wärmetod

    In Kapitel 10 "Das Ende von allem":
    Michio Kaku: "Im Paralleluniversum. Eine kosmologische Reise vom Big Bang in die 11. Dimension"
    rororo 2006     ISBN 3 499 61948 2
     

    15     Mathematik und Naturwissenschaft

    Über die Prinzipien der Forschung in der Physik
    Lawrence M. Krauss: "Fear of Physics"
    Basic Books 2007   ISBN-13: 978 – 0 –465 – 00218 - 4

    16    Wie denkt der Mensch

    Wie die Sprache unser Erleben der Welt spiegelt
    Steven Pinker: "How the Mind Works"
    Penguin 1997   ISBN-13 : 978-0-140-24491-5

    Grundstrukturen unserer Wahrnehmung und unseres Denkens
    Steven Pinker: "The Stuff of Thought – Language as a Window into Human Nature"
    Penguin 2007  -  ISBN 978-0-670-06327-7

    Wie das Unbewusste unser Verstehen und Handeln prägt
    Leonard Mlodinow: "Subliminal "
    Vintage 2013   ISBN  978 – 0 –307 – 47225 - 0

    Eine ausführliche Darstellung des Gehirns und seiner   Funktionen
    John J. Ratey :
    "Das menschliche Gehirn – Eine Gebrauchsanweisung"
    Piper Verlag 2003    ISBN-13: 978-3-492-23825-0

    17  Die Wissenschaft und die Kunst

    Wunderbare Beispiele dafür wie aus mathematischen Prozeduren reizvolle Grafiken entstehen
    Mario Markus: "Die Kunst der Mathematik – Wie aus Formeln Bilder werden"
    Zweitausendeins 2009    ISBN 978 – 3 – 86150-767 – 3

    18    Die Wissenschaft und die Ethik

    Evolution aus Sicht der Gene, Sozialverhalten steht im Mittelpunkt der Betrachtungen. Das Konzept der „Meme“ wird eingeführt.
    Richard Dawkins: "Das egoistische Gen"
    Oxford University Press 1976
    Jubiläumsausgabe 2007  Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2008  ISBN 978-3-8274-1839-5

    Lüge und Verbrechen aus der Sicht  zweier  Neurologen
    Hans J. Markowitsch, Werner Siefer:
    "Tatort Gehirn – Auf der Suche nach dem Ursprung des Verbrechens"
    Piper 2009     ISBN 978-3-492-25354-3

    Warum die Annahme eines „Freien Willens“ falsch ist und wie sowohl der Einzelne als auch die Gesellschaft davon profitieren, wenn man diese Annahme aufgibt.
    Michael Schmidt-Salomon: "Jenseits von Gut und Böse –
    warum wir ohne Moral die besseren Menschen sind"
    Pendo-Verlag 2009  Erweitert 2010  ISBN  978 – 3 – 86612 – 212 – 3

    19  Die Wissenschaft und die menschliche Seele

    Das Buch über Nahtod-Erlebnisse, das die anhaltende Diskussion auslöste
    Raymond A. Moody: "Life after Life"
    Bantam Books 1977   ISBN 0-553-10080-7
     
     
     

    Anhang:  Kurzbiographien der porträtierten Personen

    Die folgenden Kurzbiographien beruhen weitgehend auf Wikipedia. Sie sollen nur einer ersten Orientierung dienen.
     

    Aristoteles(384 – 322 v.Chr.)
    Einer der größten Philosophen aller Zeiten. Begründete mehrere Gebiete der Philosophie und Naturwissenschaft: Wissenschaftstheorie, Logik, Biologie, Physik, Ethik, Staatstheorie, Theorie der Dichtung .

    Augustinus von Hippo (354 – 430)
    Bedeutender Kirchenlehrer und Philosoph. Klostergründer und Bischof in Hippo Regius. Predigte jahrzehntelang Hass auf die Juden. In seinen autobiographischen "Confessiones" denkt er auch über das Wesen der Zeit nach.

    Niels Henrik David Bohr (1885-1965)
    Dänischer Physiker. Einer der Begründer und lange Zeit so etwas wie der "Übervater" der Quantenphysik. Nobelpreis 1922 "für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehenden Strahlung". Sein Atommodell für den Wasserstoff ist aus heutiger Sicht überholt, gilt aber als ein Meilenstein der theoretischen Physik. 1941 floh er über Schweden in die USA, nachdem Heisenberg ihn besuchte und in die deutsche Atombombenforschung hineinziehen wollte (so verstand jedenfalls Bohr das Gespräch).

    Ludwig Boltzmann (1844-1906)
    Österreichischer Physiker und Philosoph. Stellte die Thermodynamik auf eine neue
    atomar orientierte Basis ("Statistische Mechanik"). Zahlreiche Fachkollegen waren seiner atomistischen Denkweise feindlich gesinnt. Fand eine Formel für die Entropie als Maß der Wahrscheinlichkeit von Mikrozuständen.

    Francis Harry Compton Crick (1916-2004)
    Britischer Physiker und Biochemiker. Entwickelte  zusammen mit James Watson das Doppelhelixmodell der DNA, der Trägerin der Erbinformation. Nobelpreis mit Watson und Wilkins 1962.

    Charles Darwin (1809-1882)
    Britischer Naturforscher.  Legte mit seinem Hauptwerk  "On the Origin of Species"   ("Über die Entstehung der Arten"), erschienen 1859, die Grundlagen der modernen Evolutionsbiologie: Zufällige Veränderung der vererbbaren Eigenschaften und Selektion im Wettbewerb um Ressourcen führt zur Evolution. 1871 folgte "The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex". Darwin beschrieb damit den zweiten Selektionsmechanismus, den Wettbewerb um einen Geschlechtspartner.

    Clinton Richard Dawkins (*1941)
    Britischer Zoologe, Evolutionsbiologe. Erfolgreicher Autor populärwissenschaftlicher Bücher zur Evolutionstheorie ("Das egoistische Gen", "Der blinde Uhrmacher", "Und es entsprang ein Fluss in Eden" ...) Bekannt auch als Vertreter des "Neuen Atheismus" (Buch "Der Gotteswahn").

    Theodosius Dobzhansky (1900-1975)
    Russisch-US-amerikanischer Zoologe, Genetiker und Evolutionsbiologe. Zusammen mit Ernst Mayr der Schöpfer der Synthetischen Evolutionstheorie, welche die Darwinsche Theorie und die Genetik zusammenführte.  Untersuchungen zur Entstehung der Arten. 1937 veröffentlichte er sein einflussreiches Werk "Genetics and the Origin of Species".  Genetische Untersuchungen an Insekten, besonders Taufliege Drosophila melanogaster.  Orthodoxer Christ, aber scharfer Kritiker der Kreationisten. „Nichts in der Biologie ist sinnvoll, außer im Lichte der Evolution betrachtet“.

    Albert Einstein (1879-1955)
    Einer der größten und sicherlich der bekannteste Physiker aller Zeiten. Seine Theorien zu Raum und Zeit (1905 "Spezielle Relativitätstheorie", 1915 "Allgemeine Relativitätstheorie") veränderten unser physikalisches Weltbild. 1921 erhielt er den Nobelpreis  „für seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“ (er hatte bereits 1905 gezeigt, dass Licht gequantelt ist  - heute"Photonen").

    Hugh Everett (1930-1982)
    US-amerikanischer Physiker, bekannt als Schöpfer der Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik.

    Michael Faraday (1791-1867)
    Englischer Physiker. Wurde nach einer Buchbinderlehre zu einem der bedeutendsten Experimentalphysiker überhaupt. Wichtige Entdeckungen im Bereich der Chemie (u.a. Grundgesetze der Elektrolyse). Wesentliche Beiträge auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus. Entwickelte mit der Vorstellung von Kraftlinien und Feldern unverzichtbare Hilfsmittel in der modernen Physik.

    Richard Phillip Feynman (1918-1988).
    US-amerikanischer Physiker. Bedeutende Beiträge zu den Quantenfeldtheorien. Ausarbeitung der Pfadintegralmethode, die alle möglichen Wege berücksichtigt. 1965 Nobelpreis für die maßgebliche Entwicklung der Quantenelektrodynamik. Darstellung quantenfeldtheoretischer Wechselwirkung durch "Feynman-Diagramme". Legendäre Vorlesungen und Vorträge.

    Alexander Friedmann (1888-1926)
    Russischer Physiker, Geophysiker und Mathematiker. Entdeckte auf der Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie die Möglichkeit eines dynamischen Universums
    mit gleichmäßig verteilten Massen, ohne Annahme einer kosmologischen Konstante und mit einer zeitlich veränderlichen positiven Raumkrümmung.

    Galileo Galilei (1564-1642)
    Italienischer Mathematiker, Physiker und Astronom. Revolutionierte die Astronomie durch Verwendung des von ihm verbesserten Fernrohrs (Jupitermonde, Venusphasen, Gestalt der Mondoberfläche, Sonnenflecken ...). Anhänger des heliozentrischen Weltsystems. Untersuchungen zur Mechanik (beschleunigte Bewegung, Pendel, freier Fall, Relativitätsprinzip ...) Erkannte die Bedeutung des Experimentes für den Erkenntnisfortschritt. Tiefgläubig, aber im Konflikt mit der Kirche, deren Weltsicht er vergeblich zu reformieren hoffte – die milde Strafe war Hausarrest.

    Georg A. Gamov (1904-1968)
    Physiker und Kosmologe. Russischer Herkunft, nach seiner Flucht 1933 in den USA. Beiträge zur Kernphysik und zur Urknall-Theorie. 1948 sagte er mit seiner Arbeitsgruppe die Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung voraus, Zeuge des Urknalls. Sie wurde erst 16 Jahre später entdeckt.

    Alan H. Guth (*1947)
    US-amerikanischer Physiker und Kosmologe. Entwickelte das Konzept der "Inflation", einer exponentiellen Ausdehnung des Weltalls in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall, löste damit das "Horizontproblem" und das "Flachheitsproblem".

    Stephen Hawking (*1942)
    Britischer Physiker und Astrophysiker. Durch ALS stark behindert, kann nur noch mittels Augen-gesteuertem Sprachcomputer kommunizieren. Wichtige Arbeiten zur Quantengravitation, zur Allgemeinen Relativitätstheorie, zur Kosmologie und zur Physik der Schwarzen Löcher. 1986 als bekennender Atheist in die Päpstliche Akademie der Wissenschaften aufgenommen. Erfolgreich als Verfasser populärwissenschaftlicher Bücher ("Eine kurze Geschichte der Zeit", .... zuletzt "Der große Entwurf" mit Leonard Mlodinow)

    Werner Karl Heisenberg (1901-1976)
    Deutscher Physiker. Formulierte 1927 eine fundamentale Aussage der Quantenmechanik , die "Heisenbergsche Unschärferelation", nach der ein Quantenobjekt nicht gleichzeitig präzise Werte für bestimmte Messgrößenpaare besitzt, etwa Ort und Geschwindigkeit.

    Edwin P. Hubble (1889-1953)
    US-amerikanischer Astronom. Seine Beobachtungen am Mount-Wilson-Observatorium führten ihn zu bedeutenden Entdeckungen. Er konnte nachweisen, dass die Spiralnebel weit außerhalb unserer Milchstraße liegen und eigene Galaxien darstellen. Aus der Verknüpfung von räumlicher Verteilung der Galaxien und ihrer Relativgeschwindigkeit konnte er ableiten, dass die Fluchtgeschwindigkeit umso größer ist je weiter die Galaxie entfernt ist (das Verhältnis trägt den Namen "Hubble-Konstante"). Die kosmologische Konsequenz (Urknall) zog er aber nicht selbst.

    Sir Julian Sorell Huxley (1887-1975)
    Britischer Biologe und Philosoph. Beiträge zur Synthetischen Evolutionstheorie. Grundlegende Arbeiten in der Verhaltensforschung. Wichtige Rolle bei der Gründung des UNESCO, 1946-1948 erster Generaldirektor. 1961 Gründungsmitglied des WWF. Prägte die Idee des "Evolutionären Humanismus", eines Humanismus auf wissenschaftlicher Grundlage.

    Ibn Sina (Abu Ali al-Husain ibn Abdullah ibn Sina, latein. Avicenna ) (980-1037),
    Perser. Einer der größten Universalgelehrten aller Zeiten: Arzt, Physiker, Theologe, Philosoph, Jurist, Mathematiker, Astronom, Alchemist, Musiktheoretiker. Sein "Kanon der Medizin" vereinigte griechische, römische und persische Medizin. Im 12. Jahrhundert in das Lateinische übersetzt, blieb der Kanon bis ins 17. Jahrhundert das Standardwerk der Medizin.

    Johannes Kepler (1571-1630)
    Deutscher Mathematiker, Optiker und Astronom, Hof-Astrologe Wallensteins. Ausgehend von den sehr genauen Beobachtungen seines Lehrers  Tycho Brahe, entwickelte er die Gesetze der Planetenbewegung auf Basis von Ellipsen um die Sonne. Als pythagoreischer Mystiker sah er darin die Harmonie, die der Schöpfer der Welt mitgegeben hatte.

    Pierre-Simon Marquis de Laplace (1749-1827)
    Französischer Mathematiker, Physiker und Astronom. Bewies die Stabilität der Planetenbahnen, postulierte die Existenz von Schwarzen Löchern, arbeitete am ("Drei-Körper-Problem"). Entwickelte eine Theorie zur Entstehung des Sonnensystems, von der Grundzüge heute noch gelten ("Nebularhypothese").  Sein "Traité de Mécanique Céleste" (Abhandlung über die Himmelsmechanik) wurde zum Standardwerk. (Bekannt ist dazu die folgende Anekdote: Laplace stellte sein Buch Napoleon vor. Dieser fragte: „Warum haben Sie dieses Buch über das Weltall geschrieben, aber nicht einmal seinen Schöpfer erwähnt?“ Laplace antwortete: „Diese Hypothese habe ich nicht benötigt."). Laplace war unter Wissenschaftler-Kollegen umstritten, weil er sich stets den jeweiligen Machthabern andiente.

    Georges E. Lemaitre (1894 –1966)
    Belgischer Priester, Theologe und Astrophysiker. Begründer der Urknalltheorie; er sprach von einem Uratom, einem "kosmischen Ei, das im Moment der Entstehung des Universums explodierte".  Einstein akzeptierte seine Theorie nur nach langem Widerstreben. Lemaitre analysierte verschiedenen Modelle des Universums auf Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie; das von ihm bevorzugte (zunächst verlangsamte, dann wieder schneller werdende Expansion) ist heute wieder aktuell. Seit 1960 Präsident der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften im Range eines Prälaten. Bemühte sich vergeblich, Pius XII davon abzuhalten, die Urknalltheorie als Beleg für die Schöpfung der Welt durch Gott heranzuziehen.

    Ernst Mayr (1904-2005)
    Deutsch-US-amerikanischer Biologe. Hauptvertreter der "Synthetischen Evolutionstheorie", der Vereinigung von Darwins Theorie mit der Genetik. Grundlegende Arbeiten zum Begriff der Art ("Fortpflanzungsgemeinschaft") und zur Entstehung der Arten ("Allopatrische Artenbildung" – geographische Trennung führt zur Entstehung von Tochterarten). Populärwissenschaftliches Standardwerk "Das ist Evolution".

    James Clerk Maxwell (1831-1879)
    Schottischer Physiker. Er entwickelte u.a. den als "Maxwell'sche Gleichungen" bekannten Gleichungssatz, der Elektrizitätslehre und Magnetismus zu einem geschlossenen System verknüpfte. Die Gleichungen ergaben, dass sich eine elektromagnetische Welle bilden und mit 300 000 km/sec im Raum ausbreiten kann; das war die bereits bekannte Geschwindigkeit des Lichtes, das sich damit als elektromagnetische Schwingung zu erkennen gab.

    Stanley L. Miller (1930-2007)
    US-amerikanischer Biologe und Chemiker. Führte noch als Student zusammen mit Harold Urey das "Miller-Experiment" durch, einen Versuch der die Bedingungen für die Entstehung des Lebens auf der Erde simulieren sollte.
    Isaac Newton (1642-1727)
    Englischer Naturforscher und Verwaltungsbeamter. Sein Werk  "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" beschrieb das Gravitationsgesetz und die Bewegungsgesetze, es wurde die Grundlage der klassischen Mechanik. Bedeutende Arbeiten auf dem Gebiet der Optik: Erklärung des Spektrums, Teilchentheorie des Lichtes. Als Master der Königlichem Münze war er für sein überaus hartes Vorgehen gegen Falschmünzer berüchtigt. Beschäftigung mit Theologie als Anhänger der Unitarischen Lehre,  aber auch mit Alchemie (Suche nach dem Stein der Weisen).

    William von Ockham (1288-137)
    Englischer Franziskaner. Theologe und Philosoph (Logik, Erkenntnistheorie, Ethik, Staatstheorie, Rechtsphilosophie...) Beteiligt im  sogenannten  Armutsstreit, 1328 exkommuniziert. Als Berater Ludwigs IV. des Bayern involviert in  den politischen Wirren seiner Zeit, Gegner des Papstes. Sein Parsimonitätsprinzip fordert die Eliminierung aller nicht notwendigen Hypothesen oder Theoriebestandteile, heute als "Ockhams Rasiermesser" zitiert.

    Alexander Oparin (1894-1980)
    Russischer Biochemiker. Entwickelte als erster biochemische Hypothesen zur Entstehung des Lebens auf der Erde.

    Edgar A. Poe (1809-1849)
    US-amerikanischer Schriftsteller. Bekannt als Verfasser von Science Fiction- und Horrorgeschichten. Begründer der modernen Detektivgeschichte ("Der Mord in der Rue Morgue"). Lyriker, melancholische Gedichte ("The Raven"). Vielfältige Essays. Kosmologische Spekulationen mit einer frühen Form der Urknallhypothese in "Eureka".

    Martin Rees (*1942)
    Britischer Astronom, "Königlicher Astronom", Professor für Astrophysik und Kosmologie in Cambridge. Zahlreiche populärwissenschaftliche Veröffentlichungen, u.a. auch zu den Chancen, dass die Menschheit das 21. Jahrhundert überlebt.

    Erwin Schrödinger (1887-1961)
    Österreichischer Physiker. Einer der Begründer der Quantenmechanik. Die "Schrödingergleichung" beschreibt die zeitliche Entwicklung von Quantensystemen, solange keine Messung vorgenommen wird; sie ist die Grundlage der meisten praktischen Anwendungen der Quantenmechanik.  1933 Nobelpreis für Physik zusammen mit Paul Dirac.

    Willem de Sitter (1872-1934)
    Niederländischer Astronom, beschrieb auf der Basis der Einstein'schen Allgemeinen Relativitätstheorie  ein sich ausdehnendes Universum, sagte die Rotverschiebung voraus.

    Harold C. Urey (1893-1981)
    US-amerikanischer Chemiker. 1934 Nobelpreis für die Entdeckung des Schweren Wasserstoffs (Deuterium). Wichtiger Beitrag zum Manhattan-Projekt (Gasdiffusionsverfahren zur Trennung der Uran-Isotope). Regte das "Miller-Experiment" zum Studium der chemischen Evolution des Lebens an.
     

    James Watson (*1928)
    US-amerikanischer Biochemiker, bedeutender Molekularbiologe. Entwickelte zusammen mit Francis Crick das Doppelhelixmodell der DNA, der Trägerin der Erbinformationen. 1962 Nobelpreis zusammen mit Crick und Wilkins. Umstritten wegen seiner gesellschaftspolitischen Äußerungen (Rassismus, Homophobie).

    Günter Wächtershäuser (*1938)
    Deutscher Chemiker und Patentanwalt, Hochschullehrer. Entwickelte das Konzept der "Eisen-Schwefel-Welt" zur Erklärung der chemischen Evolution des Lebens.

    Steven Weinberg (*1933)
    US-amerikanischer Physiker. Beiträge zu Teilchenphysik, Quantenfeldtheorie und Kosmologie (Buch "Die ersten drei Minuten")  Nobelpreis 1979. Äußert sich auch zu gesellschaftlichen und weltanschaulichen Fragen („Religion ist eine Beleidigung der Menschenwürde. Mit oder ohne sie würden gute Menschen Gutes tun und böse Menschen Böses. Aber damit gute Menschen Böses tun, bedarf es der Religion.“)

    Maurice Wilkins (1916-2004)
    Neuseeländisch – englischer Physiker. Strukturuntersuchungen mit Hilfe der Röntgenbeugung. Bewies parallel zu Rosalind Franklin experimentell die Doppelhelix-Struktur der DNA nach Watson und Crick, gab Rosalind Franklins Daten unautorisiert weiter. 1962 Nobelpreis zusammen mit Watson und Crick.
     


     


    Der Autor: Dr.-Ing. Heinz G. Klug
    Geboren 1937. Studium des Maschinenbaus und Promotion an T.H.Darmstadt.
    35 Jahre Projektingenieur im internationalen Flugzeugbau (Airbus Hamburg). Segler, konstruierte sein eigenes Boot. Malerei (Landschaft, Marine) und Computergrafik (gegenstandslos, Montagen). Naturwissenschaftliche Interessen: besonders Kosmologie und Evolution.
    Homepage:http://www.hg-klug.de


    Der Anreger:  Harald Duhn
    Geboren 1931. Studienfächer: Philosophie, Literaturwissenschaft, Geschichte, Rechtswissenschaft. Bei der Staatsanwaltschaft Hamburg als Oberstaatsanwalt besonders befasst gewesen mit der Aufklärung nationalsozialistischer Gewaltverbrechen. Privater Autor philosophischer und lyrischer Schriften. Hobbys: Jazzmusik und Tischtennis.
    Mail: hadu@ewe.net


    Zu Duhn/Klug: Warum gibt es eine Welt

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