Joe und die Carbon Connection

Vom Sternenstaub zum Ernst des Lebens

Martin Deggelmann

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2013
• ISBN:
  9783831257324
• Thema: Physical Sciences
• Thema: Astronomy & Astrophysics

Der kleine Joe erblickt das Licht der Welt als Kohlenstoff-Atom in einer Sonne im Zentralbereich unserer Galaxie. Nach einer glücklichen Jugend, die nur durch ein paar Wasserstoff-Schnösel getrübt wird, macht er sich auf, das Universum zu entdecken. Dabei spielt die Tatsache, dass er so klein ist, eine große Rolle. Er schildert viele physikalische und chemische Phänomene aus atomarer Sicht - quasi aus 1. Hand - und macht sie damit für uns verständlicher. Er berichtet aber auch von den großen Ereignissen im Universum, wie zum Beispiel ganze Sonnensysteme entstehen und was man bei einer Supernova als Atom beachten sollte. Joe erzählt die Geschichte der Atome, wie sie entstehen, das Universum erobern und bevölkern, welche Zyklen sie durchlaufen und welche großen Strukturen sie bilden. Er verschafft dem Leser einen Überblick, was seit dem Urknall alles geschehen ist und wie die Dinge zusammenhängen.

Prolog

Da lagen sie. Eingebettet im Nebel der Unendlichkeit reihte sich ein Universum an das andere. Wie große kugelförmige Gebilde schwebten sie ruhig nebeneinander. Im Nebel sahen alle fast gleich aus, obwohl sie im Innern sehr verschieden waren. Jedes für sich war eine Insel, ein abgeschlossenes System, mit einer eigenen Welt, das konsequent autistisch vor sich hin existierte. Die Welten waren isoliert und wussten nichts voneinander und es gab keine Möglichkeit, von einem Universum zu einem anderen zu gelangen.

Plötzlich gebar der Nebel der Unendlichkeit eine kleine, sehr heiße Blase, die sich rasch ausdehnte. Hier entstand ein neues Universum. Es war unser Universum.

Wie immer gab es gleich zu Beginn einen kurzen, kritischen Moment, in dem es sich mit Energie eindecken musste, um weiter existieren zu können. Unser Universum bediente sich und nahm reichlich, so dass es im Innern der Blase zu einer gewaltigen Explosion kam, die heute unter dem Namen Urknall bekannt ist. Es entstand der Raum und die Zeit begann darin zu vergehen. Und plötzlich gab es auch die Gesetze der Physik, wie wir sie heute kennen.

Der Nebel der Unendlichkeit blieb davon gänzlich unbeeindruckt. Außerhalb der Blase blieb es bemerkenswert ruhig. Die gewaltige Explosion ereignete sich ganz exklusiv im Innern, in einer eigenen Welt. Auch die anderen Universen bemerkten nichts davon. Wie auch, sie wussten ja nichts voneinander.

Der neu entstandene Raum hatte drei Dimensionen. Er war nicht leer, sondern ausgefüllt mit der Energie, die sich das Universum genommen hatte. Es herrschten außergewöhnlich hohe Temperaturen und unter extremsten Bedingungen bildete sich aus der reinen Energie Materie und Antimaterie, die sofort begannen, sich gegenseitig wieder zu vernichten. Denn, wenn Materie auf Antimaterie trifft, löschen sie sich bekanntlich gegenseitig aus. Die Energie wird wieder freigesetzt.

Glücklicherweise entstand durch einen merkwürdigen Umstand, eine sogenannte Symmetriebrechung, etwas mehr Materie, die dann am Ende übrig blieb. Vielleicht war es auch die Antimaterie, die übrig blieb und wir haben sie aus Versehen nur Materie genannt.

Das Universum war noch klein und sein Raum stark gekrümmt. Doch die Explosion blies ihn auf wie einen Luftballon. Es vergingen nur Bruchteile einer Sekunde, bis sich der Raum zu einem riesigen Gebilde aufgespannt hatte. Er blieb gekrümmt und hatte dadurch keinen Rand. Ein langer Flug ohne Richtungsänderung würde zum Ausgangspunkt zurückführen, so wie man auch auf einer Kugeloberfläche wieder den Ausgangspunkt erreicht, wenn man nur stur genug in eine Richtung läuft. Das Universum war also abgeschlossen und der Raum darin dehnte sich aus, wenngleich die Geschwindigkeit, mit der er das tat, mit der Zeit langsamer wurde.

Mit der Ausdehnung begann die Temperatur zu fallen und es kristallisierten sich im wahrsten Sinne des Wortes vier fundamentale Kräfte heraus, die die Wechselwirkungen der Materie bestimmten. Es kamen die vier Grundkräfte der Physik zum Vorschein, wie wir sie heute kennen und mit denen wir die Vorgänge und Ereignisse in unserem Universum beschreiben und erklären.

Beginnen wir mit der Gravitation. Die Gravitation oder Schwerkraft ist eine anziehende Kraft. Sie greift an der Masse der Objekte an. Wer schon mal auf einer Waage stand weiß, was mit Masse gemeint ist. Die Gravitation ist eine schwache Kraft, aber wenn viel Masse zusammenkommt, kann sie sehr mächtig werden. Sie hält unser Sonnensystem zusammen und formt aus allen größeren Objekten, wie Sonnen und Planeten, perfekte Kugeln.

Steht man auf einem Planeten, ist die Schwerkraft eine praktische Sache. Sie sorgt dafür, dass die Dinge auf diesem Planeten nicht die Bodenhaftung verlieren und runter fallen. Sie lässt die Äpfel von den Bäumen fallen und hält Flüssigkeiten in Gläsern, was das Trinken ungemein erleichtert. Und sie ermöglicht das Wiegen, wenn eine Waage zur Hand ist. Dabei glauben manche, dass die Schwerkraft ungerecht sei, in Wahrheit ist sie nur unbestechlich.

Tatsächlich ist die Gravitation so mächtig, dass sie auf unser ganzes Universum wirkt. Die Ausdehnung des Raums, die seit dem Urknall anhält, wird durch sie abgebremst. Vielleicht kann sie diese Expansion sogar stoppen und den Raum wieder zusammen ziehen. Doch das ist ungewiss, weil die Menge der Materie im Universum und damit der Einfluss der Gravitation noch unbekannt sind.

Die zweite große Kraft im Universum ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Hier geht es um elektrische Ladungen. Es gibt positive und negative Ladungen. Gegensätzliche ziehen sich an und gleiche stoßen sich ab. Diese Kräfte lassen sich mit elektrischen Feldern erklären, die die Ladungen umgeben.

Doch das ist noch nicht alles. Bewegt man eine Ladung, entsteht um sie herum ein magnetisches Feld, von dem wiederum Kräfte auf andere Ladungen ausgehen. Die Sache kann rasch unübersichtlich werden.

In elektrischen Bauteilen kommt es durch diese Wechselwirkungen zu unzähligen Phänomenen, die bei elektronischen Geräten genutzt werden, damit sie uns gefallen und erstaunen. Das macht aus der elektromagnetischen Wechselwirkung ebenfalls eine sehr praktische Sache.

Elektromagnetische Felder können auch ganz allein existieren, ohne jede elektrische Ladung. Nehmen wir ein elektrisches Feld. Ganz allein gelassen fällt es in sich zusammen. Dabei erzeugt es ein magnetisches Feld. Dem magnetischen Feld geht es nicht besser. Es fällt auch in sich zusammen und erzeugt dabei wieder ein elektrisches Feld. Das wiederholt sich immer weiter und schickt eine elektromagnetische Welle auf die Reise, die sich dann ganz alleine durch den leeren Raum bewegt. Diese Wellen kennt jeder. Es handelt sich um das Licht, das wiederum eine sehr praktische Sache ist. Um das Licht wahrzunehmen haben wir eigens ein Sinnesorgan entwickelt. Mit unseren Augen können wir die Umgebung sehen und es ist auch sehr schön, wenn die Sonnenstrahlen einem den Rücken wärmen.

Bemerkenswert ist vielleicht noch, dass diese Lichtwellen sehr schnell unterwegs sind. Es handelt sich um die schnellst mögliche Geschwindigkeit überhaupt, was bedeutet, dass sich nichts schneller als das Licht bewegen kann.

Die dritte Kraft ist die starke Wechselwirkung. Wie der Name schon sagt handelt es sich um eine sehr starke Kraft von der die meisten von uns nichts mitbekommen, weil sie nur eine sehr kurze Reichweite hat. Sie kommt in den Atomkernen zum Einsatz und hält diese zusammen. Es handelt sich um eine anziehende Kraft, die auf den Atomkern beschränkt ist. Sie hält die Welt zwar im Innersten zusammen, aber für unser tägliches Leben hat sie praktisch keine Bedeutung.

Und dann gibt es da noch die vierte Kraft, die schwache Wechselwirkung. Sie ist nicht nur schwach, sondern hat wie die starke Wechselwirkung auch, eine sehr geringe Reichweite. Sie kommt ebenfalls in den Atomkernen zum Einsatz, wenn Teilchen bei radioaktiven Prozessen zerfallen oder umgewandelt werden. Auch sie dürfte den meisten von uns unbekannt sein.

Bei der Entstehung des Universums kamen die vier Kräfte gleichermaßen zum Einsatz. Die Gravitation versuchte von Anfang an, das Universum zusammenzuhalten, auch wenn das zu Beginn ein aussichtsloses Unterfangen schien. Die elektromagnetische Wechselwirkung sorgte für Licht und Energietransport und die starke und schwache Kraft waren bei der Entstehung und beim Zerfall der Teilchen und Materie beteiligt. Wie so oft endete der schöpferische Akt nach wenigen Minuten und die Explosion schleuderte die übrig gebliebene Materie in den neu erschaffenen Raum.

Nachdem sich alles etwas beruhigt und abgekühlt hatte bestand die Materie im Universum aus drei Viertel Wasserstoff, ein Viertel Helium und noch ein paar Lithium- und Berylliumatomen. Ein dünnes Gas erfüllte den dreidimensionalen Raum. Und dann gab es da noch jede Menge Licht. Ja, es war ein helles Universum, das der Nebel der Unendlichkeit hervorgebracht hatte und mit den vier fundamentalen Wechselwirkungen versprach es auch ein interessantes Universum zu werden.

Trotzdem wurde es ein paar Minuten nach dem großen Knall erst mal ruhig und tatsächlich geschah dann ein paar Milliarden Jahre fast gar nichts. Das Universum dehnte sich nur weiter aus und wurde dabei etwas größer, kühler und dunkler. Irgendwann gelang es dann der Gravitation die ersten Strukturen zum Vorschein zu bringen. Sie ballte die Materie zu großen Kugeln zusammen und brachte die ersten Sterne hervor. Als diese zu Leuchten begannen wurde es wieder etwas heller im Universum. Die Sonnen rückten zusammen und bildeten Sternhaufen und Galaxien. Es entstanden sehr große Strukturen, die schon mal ein paar Milliarden Sterne enthalten konnten.

Eine Sonne oder Stern ist eine sehr große, massereiche, selbstleuchtende Gaskugel, die sehr weit zu sehen ist. Sie erhellt und wärmt ihre Umgebung und ermöglicht es Lebensformen, wie sie auf unserer Erde vorkommen, zu existieren. Sie spendet Licht und Wärme und ihr Auftauchen am Horizont lässt sich jeden Morgen beobachten. Wenn man ehrlich ist, ist sie, neben den anderen Dingen am Himmel, bei weitem die spektakulärste Erscheinung.

In diesen Gaskugeln ist es ungeheuer heiß und der Druck in ihrem Inneren ist so groß, dass Atomkerne miteinander verschmelzen und so neue Elemente entstehen. Aus Wasserstoff entsteht Helium. Helium verbrennt zu Kohlenstoff und so weiter. Dabei werden ungeheure Mengen an Energie freigesetzt. Umso größer die Sonnen sind, desto größer sind die Elemente, die sie ausbrüten können. Man nennt diese Reaktionen auch Brennen, obwohl es keine chemischen Reaktionen sind, sondern nukleare Vorgänge, bei denen die Atomkerne verschmelzen.

Vor ca. acht Milliarden Jahren kam es nun in einer Sonne, ein paar Tausend Lichtjahre von uns entfernt, zu einer nuklearen Reaktion, die für unsere Geschichte von größter Bedeutung ist. Die acht Milliarden Jahre sind natürlich nur geschätzt und ob dieser Stern wirklich so viele Lichtjahre entfernt war, ist in einem expandierenden Universum nur schwer zu sagen. Und dass es sich bei der nuklearen Reaktion um keinen Einzelfall handelte, dürfte auch jedem klar sein.

Vielmehr tobte das nukleare Feuer in einer Sonne, die ihre beste Zeit schon hinter sich hatte. Dennoch wurden in jeder Sekunde einige Millionen Tonnen Wasserstoff in Helium umgewandelt und eine unvorstellbare Menge an Energie in Form von Licht und Wärme freigesetzt. Das Wasserstoffbrennen war nicht der einzige nukleare Prozess, der ablief. Diese Sonne entfachte eine so große Hitze, dass auch das Helium brannte und die Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff produziert wurden.

Unsere Geschichte beginnt genau in dieser Sonne, die unserer heutigen sehr ähnelte. Bei der bedeutenden nuklearen Reaktion handelte es sich um einen Drei-Alpha-Prozess, bei dem drei Heliumkerne, oder eben Alpha-Teilchen, zusammenstießen und sich in einen Kohlenstoffkern verwandelten. Unsere Geschichte handelt von einem Kohlenstoffatom, eben dem, das vor ca. acht Milliarden Jahren entstanden ist. Das Atom heißt Joe und ist der Held dieser Geschichte.

Wir werden Joe ein paar Milliarden Jahre begleiten. Dabei lernen wir die unendlichen Weiten des Weltraums kennen. Der kleine Freund wird uns von seinen Erlebnissen berichten und erzählen, wie er sich als Kohlenstoffatom so durchschlägt. Der Alltag eines Kohlenstoffatoms ist nicht immer wahnsinnig aufregend, dennoch kommt aber über die Jahrmilliarden einiges zusammen. Oft ist Joe im wahrsten Sinne des Wortes Gefangener seiner Umgebung. Es passiert ein paar hundert Tausend oder Millionen Jahre gar nichts. Zum Glück ist Joe sehr geduldig. Dann wiederum kommt es innerhalb weniger Sekunden oder Sekundenbruchteilen zu dramatischen Ereignissen.

Joe ist sehr klein. Der Durchmesser eines Kohlenstoffatoms ist ca. ein Zehnmillionstel Millimeter. Dafür ist die Anzahl der Kohlenstoffatome in einem Menschen sehr groß und hat mehr als 26 Nullen. Joe wird uns seine Welt und seine Sicht auf die Dinge näherbringen. Dabei wird die Tatsache, dass er so klein ist, eine große Rolle spielen. Um ihn herum laufen die Dinge ein wenig anders und wir bekommen mit ihm ganz andere Einblicke. Wir werden mit ihm in neue Welten vorstoßen, die noch nie zuvor ein Mensch gesehen hat.

Wie alle Atome trägt Joe ein Elektronenkleid, unter dem sich sein winziger Kern versteckt. Dieser ist sehr kompakt und stellt praktisch die ganze Masse des Atoms. Er besteht aus sechs Protonen, die elektrisch positiv geladen sind und sechs Neutronen, die fast genauso schwer wie die Protonen sind, aber keine Ladung tragen. Der Kern wird durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten.

Seine Elektronen sind bekanntlich negativ geladen und sausen um den Kern herum. Die elektromagnetische Wechselwirkung bindet sie an den Kern. Positive und negative Ladungen ziehen sich nun mal an. Die Elektronen bilden eine Hülle, eine Art Wolke. Dabei schwirren sie innerhalb sogenannter Orbitale, in denen immer nur zwei von ihnen Platz finden. Dieser winzige Raum, der eigentlich so gut wie leer ist, wird vom Kohlenstoffatom - genauer von seinen Elektronen - beansprucht. Sie besetzen diesen Platz und verhindern, dass andere Elektronen sich dort breitmachen.

Jetzt haben wir ein grobes Bild und wissen, wie wir uns Joe vorstellen dürfen. Dennoch werden wir ihn nie zu sehen bekommen, denn die Lichtwellen, die diese Information zu unseren Augen transportieren müssten, sind dafür zu groß, bzw. zu lang. Sie sind mehr als tausend Mal länger als der Atomdurchmesser und können damit kein Bild der Atome vermitteln. Klar, dass man mit so langen Wellen, so kleine Objekte nicht abbilden kann.

Joe entstand tief im Innern seiner Sonne. Dort sorgten die nuklearen Prozesse und die Gravitation dafür, dass die Temperatur und der Druck hoch genug für den Drei-Alpha-Prozess waren. Er liebte die Bedingungen dort, obwohl der Druck die Materie eng zusammenpresste und sehr, sehr hohe Temperaturen herrschten. Die Atome konnten sich in der gasförmigen Materie frei bewegen. Frei ist allerdings etwas übertrieben, da sie unter diesen Bedingungen dauernd mit anderen Atomen zusammenstießen.

Das einzige, was ihn nervte, waren die Wasserstoffatome. Unglücklicherweise gab es in seiner Sonne jede Menge dieser kleinen Nervensägen. Auch später musste er sich vielfach mit ihnen rumschlagen. Doch das soll er euch selbst erzählen.

Joe und seine geliebte Sonne

Als ich das Licht der Welt erblickte, gab es jede Menge davon. Ich entstand tief im Innern meiner Sonne, einem Feuerball mit einem Durchmesser von einer Million Kilometern, der durch das Universum trudelte. Doch davon wusste ich noch nichts. Ich kannte nur das große Durcheinander, das aus einer Mischung aus Atomkernen, Elektronen und Elementarteilchen bestand. Die Mischung war durchaus explosiv, doch der hohe Druck, den die Gravitation verursachte, presste uns eng zusammen. Von der Gravitation wusste ich natürlich auch noch nichts. Wir feierten eine wilde Party. Kleinste Teilchen tanzten euphorisch umher und lebten in den Tag hinein. Die Zeit spielte keine Rolle. Man dachte nicht an Morgen und hatte, wenn überhaupt, nur die eine Sorge, nämlich, in eine nukleare Reaktion verwickelt und in ein anderes Teilchen verwandelt zu werden. Doch diese Sorge hielt sich in Grenzen und machte das Dasein vielleicht auch etwas spannender.

Im Innern meiner Sonne gab es Energie im Überfluss und auch für den Nachschub hatte das Universum gesorgt. Sie wurde von nuklearen Prozessen geliefert, die als Energielieferanten wie geschaffen schienen. Immer wenn zwei Atomkerne nur heftig genug zusammenstießen und zu einem neuen Atomkern verschmolzen, wurde ein kleiner Teil der Teilchenmasse einbehalten und in Energie umgewandelt. So war die Sonne ein riesiges Kraftwerk, das aus der Materie direkt Energie erzeugen konnte. Das sorgte dafür, dass es schön heiß blieb, die Atome bei Laune gehalten wurden und unsere Sonne, die mit der Energie nicht gerade sparsam umging, nicht abkühlte. Es herrschte ein perfektes Gleichgewicht, bei dem meine Sonne jede Menge Energie produzierte und diese großzügig im Universum verschleuderte.

Aufgrund der hohen Temperatur hatten wir unser Elektronenkleid meist komplett abgelegt und tanzten quasi nackt umher. Manchmal trugen wir ein oder zwei Elektronen auf den inneren Orbitalen, nur so als Feigenblätter.

Dauernd stieß man mit anderen Teilchen zusammen und traf auf neue Atome. Es herrschte ein wildes Treiben. Wir tanzten frei, jeder für sich, doch der hohe Druck hielt uns eng zusammen. Es gab viele Kontakte und jede Menge Licht, grelles, helles Licht, das uns blendete und um uns herum aufblitzte. Wir waren gut drauf. So hätte es an sich ewig weiter gehen können. Keiner wurde müde oder wollte eine Pause einlegen. Wir fühlten uns wie die Prinzen des Universums.

Um mich herum gab es vor allem Kohlenstoff- und Sauerstoffatome. Wir waren dicke Freunde und hatten gute Connections. Da es keine größeren und schwereren Atome als uns in der Sonne gab und wir am Ende der Reaktionskette standen, glaubten wir, dass das Universum die Sonne für uns erschaffen hatte. Darauf waren wir mächtig stolz, von wegen „Krone der Schöpfung“. Allerdings meldeten die Wasserstoffatome für sich den gleichen Anspruch an und gingen uns damit leider ein bisschen auf die Nerven.

Die Wasserstoffs galten als die kleinsten Atome in der Sonne. Weil sie so klein und leicht waren, bewegten sie sich sehr schnell, so dass man ihnen kaum folgen konnte. Sie wuselten wild umher, was eine Konversation fast unmöglich mach...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Urheberrecht
• Titelblatt
• Danksagung
• Inhaltsverzeichnis
• Prolog
• Joe und seine geliebte Sonne
• Das nukleare Feuer
• Im Innern der Sonne
• Der weiße Zwerg
• Die Supernova
• Flug durch die Hölle
• Die Galaxie
• Der Sternenstaub
• Ein Sonnensystem entsteht
• Der neue Heimatplanet
• Eiskometen liefern das Wasser
• Eigenartige Atome
• Große Moleküle machen sich breit
• Das Leben
• Lagerstätten für den Kohlenstoff
• Der Sauerstoff erobert die Atmosphäre
• Der Schneeball Erde
• Das Leben hat die besten Ideen
• Neue Möglichkeiten der Vermehrung
• Die Artenvielfalt explodiert
• Rückschläge für die Lebewesen
• Die Menschen erobern die Erde
• Der Weg zum Großhirn