Heute Science Fiction, morgen Realität? E-Book

Gerd Ganteför

• Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Erlebnis Wissenschaft
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2016

Seitenzahl: 334

Beschreibung

Die Visionen von heute können die Realität von morgen sein - die Naturwissenschaften werden auch in Zukunft die Grenzen der menschlichen Erkenntnis immer weiter hinausschieben!

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Cover

Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema

Titel

Autor

Impressum

Überden Autor

Vorwort

1 Einleitung

Ein grundlegendes Rätsel: Die Naturkonstanten

Das Zeitalter des Pessimismus

Ist eine Zukunft ohne Entwicklung möglich?

Der Optimismus der Nachbarn

Der erste Schritt: Die Grenzen des Wissens erkennen

2 Das Wunder des Universums

Wie weit ist es bis zum Ende der Welt?

Gibt es eine zweite Erde?

Gibt es außerirdisches Leben?

Gibt es außerirdisches intelligentes Leben?

3 Reisen zu den Sternen

Sind Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit möglich?

Wird man durch die Zeit reisen können?

Beamen: Transportmittel der Zukunft?

Werden wir jemals zu den Sternen reisen?

4 Energiequellen der Zukunft

Lassen sich Schwarze Löcher zähmen?

Wird es neue, unerschöpfliche Energiequellen geben?

5 Visionen der Biologie

Können Dinosaurier wieder zum Leben erweckt werden?

Wie ist das Leben auf der Erde entstanden?

Kann der Mensch künstliches Leben erschaffen?

6 Visionen der Medizin

Werden alle Krankheiten besiegt werden?

Bleibt das ewige Leben ein ewiger Traum?

Wird es Supermenschen geben?

7 Geist und Bewusstsein

Kann Wissen direkt in das Gehirn übertragen werden?

Wird man Gedanken lesen können?

Wird es intelligente Computer geben?

Kann ein Ichbewusstsein in einen Computer kopiert werden?

8 Die Grenzen des Wissens: Die Elementarteilchen

Was sind Quarks?

Gibt es eine Weltformel?

Was sind Raum und Zeit?

Was ist eigentlich ein Teilchen?

Das Higgs-Feld: Eine neue Äthertheorie?

9 Die Grenzen des Wissens: Die Naturgesetze

Warum sind die Naturgesetze so wie sie sind?

Warum gibt es vier Naturkräfte?

Was bestimmt die Werte der Naturkonstanten?

Warum ist im Universum Leben möglich?

10 Die Grenzen des Wissens: Das Universum

Ist das Universum wirklich in einem Urknall entstanden?

Wo ist die Antimaterie geblieben?

Was ist die dunkle Materie?

Was ist die Quelle der Dunklen Energie?

Expandierte das Universum mit Überlichtgeschwindigkeit?

Was war vor dem Urknall?

11 Eine Vision der Zukunft

Aufbruch ins Universum

Neue Energiequellen

Visionen der Biologie

Visionen der Medizin

Bewusstsein und künstliche Intelligenz

Vorstoß ins Unbekannte

Sachverzeichnis

Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

List of Illustrations

1 Einleitung

Abb. 1.1 Ein früher Wissenschaftler versucht, die grundlegenden Gesetze und Mechanismen zu entdecken, die für die Naturgesetze verantwortlich sind (Quelle: Camille Flammarion, L’Atmosphere: Météorologie Populaire (Paris, 1888), pp. 163).

2 Das Wunder des Universums

Abb. 2.1 Vision eines Künstlers, wie der Ausblick aus dem Fenster eines Raumschiffs aussehen könnte, das sich im Centauri-System befindet. Es ist das uns am nächsten gelegene Sonnensystem. Im Vordergrund ist eine der drei Sonnen des Systems zu sehen, die, wie man heute weiß, mindestens einen Planeten hat. Die dritte Sonne des Systems, der rote Zwerg Proxima Centauri, ist nicht sichtbar. Im Hintergrund ist unsere Sonne als ein heller Stern von vielen zu sehen (Sun) (Quelle: European Southern Observatory (ESO)).

Abb. 2.2 Unsere Nachbargalaxie Andromeda ist auch mit bloßem Auge als verschwommener Nebel im Sternbild Andromeda erkennbar. Das Licht ist 2,5 Millionen Jahre unterwegs, um von dort bis zur Erde zu gelangen (Quelle: Adam Evans – M31, die Andromeda-Galaxie (mit h-alpha)).

Abb. 2.3 Ein Foto vom »Ende der Welt«. Gezeigt ist ein Ausschnitt der Aufnahme »Extreme Deep Field« des Hubble Weltraumteleskops. Alle Objekte sind Galaxien, die bis zu 13,2 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Die Reststrahlung vom Urknall stammt von dem dunklen Hintergrund zwischen den Galaxien. Dieser dunkle Hintergrund ist die eigentliche Grenze des uns zugänglichen Teils des Universums (Quelle: NASA, ESA).

Abb. 2.4 Schematische Darstellung der Transitmethode. Die Planeten passieren einmal pro Umlauf die Sichtlinie zwischen der Erde und der jeweiligen Sonne. Ihre Helligkeit wird für kurze Zeit gedimmt. Aus den periodischen Helligkeitsschwankungen lässt sich die Umlaufzeit ermitteln (Quelle: NASA).

Abb. 2.5 Ausschnitt des Himmels im Bereich des Sternbilds Andromeda. Die markierten Sterne Almaak (Distanz 355 Lichtjahre), Mirach (197 Lichtjahre), Sirrah (100 Lichtjahre) und die Nachbargalaxie Andromeda (2,5 Millionen Lichtjahre) sind mit bloßem Auge sichtbar. Der Pfeil deutet auf den Stern Ypsilon Andromeda, der nur 44 Lichtjahre entfernt ist. Er besitzt mindestens zwei Planeten. Vermutlich hat die Hälfte der auf der Aufnahme sichtbaren Sonnen Planetensysteme (Quelle: Foto Roberto Mura).

Abb. 2.6 Größenvergleich der Planeten unserer Sonne. Die erdähnlichen Planeten Venus, Erde und Mars sind kaum zu erkennen. Aber selbst die Gasriesen Jupiter und Saturn sind im Vergleich zur Sonne kaum erkennbar. Die Sonne ist nicht nur sehr viel größer, sondern auch sehr viel heller. Ihr Licht macht es fast unmöglich, die Planeten aus der Entfernung mit einem Teleskop zu entdecken (Quelle: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)).

Abb. 2.7 Infrarotteleskopaufnahme der Sonne HR 8799 im Sternbild Pegasus, die rund 130 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die Sonne selbst ist abgedeckt. Es ist ein junges Sonnensystem, in dem es noch sehr viel Staub gibt, der ein diffuses Hintergrundleuchten verursacht. Darin eingebettet sind drei helle Punkte zu erkennen. Das sind drei sehr große Planeten, die gegen den Urzeigersinn um ihre Sonne laufen. Sie sind noch so heiß, dass sie selbst Wärmestrahlung abgebeben und in einer Infrarotaufnahme hell erscheinen (Quelle: Gemini Observatory, NRC/AURA; Christian Marois

et al

.).

Abb. 2.8 See aus Wassereis im Innern eines Kraters nahe dem Nordpol des Mars. Dieses Eis muss einmal flüssig gewesen sein, um dann in der Form eines Sees einzufrieren (Quelle: ESA/DLR/FU Berlin, G. Neukum).

Abb. 2.9 Nahaufnahme eines 30 × 70 Kilometer großen Abschnitts der Oberfläche des Jupitermonds Europa. Der Mond sieht überall so aus. Die Oberfläche besteht zum größten Teil aus Wassereis. Der Jupiter und sein Mond sind sehr weit von der Sonne entfernt und es ist sehr kalt (Quelle: NASA/PIRL/University of Arizona).

Abb. 2.10 Satellitenaufnahme eines versteinerten Flussdeltas auf dem Mars. Es gibt viele solcher Indizien, die zeigen, dass der Mars in der Frühphase des Sonnensystems vermutlich ähnlich wasserreich war wie die Erde (Quelle: NASA’s Mars Global Surveyor Orbiter, NASA/JPL/Malin Space Science Systems).

Abb. 2.11 Satellitenaufnahmen eines Steilhanges eines Kraters auf dem Mars. Im Sommer werden dunkle Streifen sichtbar, die nach einigen 100 Metern im Sand verlaufen. Es handelt sich wahrscheinlich um Salzwasser, das im Sommer aus dem Gestein austritt und kleine Bäche formt (Quelle: NASA’s Mars Reconnaissance Orbiter; NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona).

Abb. 2.12 Der von einer dicken Eisdecke bedeckte Jupitermond Enceladus. Aus den parallelen Spalten, die im unteren Bereich erkennbar sind, tritt ein salzhaltiger Eisnebel aus. Ein solcher Nebel setzt nach Meinung der Wissenschaftler voraus, dass sich unter der Eisdecke ein warmer Ozean befindet (Quelle: NASA/JPL/Space Science Institute).

Abb. 2.13 Seenplatte am Nordpol des Saturnmondes Titan. Die dichte Atmosphäre ist praktisch undurchsichtig, aber Radarstrahlen dringen bis zur Oberfläche. Die Seen aus flüssigem Methan reflektieren die Radarstrahlen schlechter und erscheinen dunkel. Die Seespiegel zeigen jahreszeitliche Schwankungen (dunkelgrau). Es gibt Dürrezeiten, in denen Inseln erscheinen, die, wenn es mehr »regnet«, wieder überflutet werden. Die großen Seen im unteren Teil des Bildes sind etwa so groß wie die fünf großen Seen in den USA. Die vielen kleinen Seen oben haben Durchmesser von 10–50 Kilometern (Quelle: Cassini-Huygens Mission; NASA/JPL-Caltech/ASI/USGS).

3 Reisen zu den Sternen

Abb. 3.1 So könnte man sich eine Reise durch den Hyperraum vorstellen. Die Geschwindigkeit ist so hoch, dass die Sterne zu Strichen verschwimmen. Falls es höhere Raumdimensionen gibt, könnte es sein, dass solche Reisen theoretisch möglich sind. Aber selbst wenn sie für die Reisenden nur Sekunden oder Stunden dauern, vergehen in Normalraum Jahrhunderte oder Jahrtausende. Das Naturgesetz der Kausalität erfordert dies.

Abb. 3.2 Eine der fünf Austrittdüsen einer Saturn-V-Rakete aus dem Apollo-Programm (Quelle: NASA).

Abb. 3.3 Vision eines Staustrahltriebwerks. Es sammelt mit einem großen Trichter die wenigen Wasserstoffatome entlang des Flugweges ein und nutzt sie in einem Fusionsreaktor als Energiequelle. Das Problem ist die Größe: Der Trichter müsste mehrere 100 Kilometer Durchmesser haben (Quelle: NASA, Foto ID: MSFC-9906399).

4 Energiequellen der Zukunft

Abb. 4.1 Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops von der Galaxie M 87 in rund 50 Millionen Lichtjahren Entfernung. In ihrem Zentrum befindet sich vermutlich ein supermassives Schwarzes Loch, das ständig Materie in sich hineinzieht. Anders lässt sich der Strahl aus hochenergetischen Teilchen nicht erklären, der sich über mehrere 1000 Lichtjahre in den leeren Raum hinaus erstreckt. Aufgrund relativistischer Effekte ist nur der Jet in unsere Richtung für uns sichtbar (Quelle: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)).

Abb. 4.2 Künstlerische Darstellung einer sogenannten »Akkretionsscheibe« um ein Schwarzes Loch. In einer lang gezogenen Spirale stürzt Materie in das Schwarze Loch, das selbst keine Strahlung abgibt. Unter den extremen Bedingungen in der Scheibe werden die Atome ionisiert, und es entsteht ein Plasma. Die Plasmascheibe strahlt in allen Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung. Sie erzeugt auch ein starkes Magnetfeld. Hochenergetische Teilchen können das Magnetfeld nur entlang der Rotationsachse als gebündelte Jets verlassen (Quelle: NASA/Goddard Space Flight Center; Dana Berry (Skyworks Digital)).

Abb. 4.3 Momentaufnahme aus einem dreidimensionalen Visualisierungsvideos von stellaren Orbitalbahnen (Seitenansicht) im galaktischen Zentrum auf der Grundlage von Daten, die von den W.M. Keck Teleskopen zwischen 1995 und 2012 aufgenommen wurden (Quelle: UCLA Galactic Center Group – W.M. Keck Observatory Laser Team).

Abb. 4.4 Künstlerische Darstellung eines Atom-U-Boots. Der Kernreaktor liefert für die gesamte Lebensdauer des Schiffs genug Energie, um auch Sauerstoff und Lebensmittel für die Besatzung herzustellen (Quelle: US D.O.D. Grafik von Ron Stern. US Navy, ID 030521-D-9078S-001).

Abb. 4.5 Modell des in Frankreich in Bau befindlichen weltweit größten Fusionsreaktors ITER. Am rechten Rand auf der grauen Ebene steht eine kaum erkennbare Person (Kreis). ITER ist lediglich ein Forschungsreaktor. Ein Reaktor zur routinemäßigen Energieproduktion müsste noch größer sein (Quelle: © 2016, ITER Organization; Pressefoto).

5 Visionen der Biologie

Abb. 5.1 Skelettrekonstruktion des Argentinosaurus in einer Sonderausstellung des Naturmuseums Senckenberg (Quelle: Eva K).

Abb. 5.2 Fußspuren von Dinosauriern, die in einer versteinerten Lehmschicht erhalten geblieben sind. Später wurde die vorher ebene Schicht zu einer Steilwand gefaltet. Die Abbildung illustriert, was für gewaltige Zeiträume seit dem Aussterben der Dinosaurier vergangen sein müssen (Quelle: Jerry Daykin from Cambridge, UK).

Abb. 5.3 In Bernstein eingeschlossen Stechmücke. Das Fossil ist rund 30 Millionen Jahre alt (Quelle: Didier Desouens).

Abb. 5.4 Grafische Darstellung eines winzigen Ausschnittes des Genoms einiger heute lebender Menschen (Europäer, Afrikaner, Australier) mit dem gleichen Ausschnitt des Genoms des Neandertalers.

Abb. 5.5 Satellitenfoto eines »Staubteufels« auf dem Mars. Der Wirbel aus Staub wirkt fast lebendig, aber es ist nur toter Staub (Quelle: Mars Reconnaissance Orbiter; NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona).

Abb. 5.6 Alle Tiere und Pflanzen bestehen aus eukaryotischen Zellen, die vieles gemeinsam haben. Bakterien und Archaeen sind dagegen Einzeller, die anders aufgebaut sind. Alle drei Stammlinien des Lebens müssen aber einen gemeinsamen Urahnen haben, da auch sie Ähnlichkeiten aufweisen.

Abb. 5.7 Stromatolithen entstehen ähnlich wie Korallenriffe durch die Aktivität kleinster Meereslebewesen. Die Bakterien, die für das Entstehen dieser seltsamen Gesteinsformationen verantwortlich sind, gedeihen im Küstenbereich warmer Ozeane. Das Foto entstand in der Shark Bay im Westen Australiens (Quelle: Paul Harrison (Reading, UK)).

Abb. 5.8 Das älteste bekannte Fossil ist ein Stromatolith mit der typischen blätterigen Schichtstruktur (Fundort: Strelley Pool Chert (SPC) (Pilbara Craton) – Western Australia). Die chemische Analyse der Schichten unterstützt die These, dass es sich um einen Stromatolithen der Urzeit handelt, der sich von den heute lebenden Stromatolithen nur wenig unterscheidet. Der rund 30 Zentimeter durchmessende Stein ist 3,5 Milliarden Jahre alt (Quelle: Didier Descouens, Museum von Toulouse).

Abb. 5.9 Kurzer Ausschnitt aus einem Doppelstrang des DNA-Moleküls, das sich zu einer Spirale verwindet. Die Abfolge der vier Bausteine Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin codiert die Information, die für den »Bau« eines Lebewesens benötigt wird. Die beiden Stränge sind nicht identisch, sondern Spiegelbilder voneinander. Jeder Baustein kann sich nur mit einem bestimmten Partner (Adenin-Thymin und Cytosin-Guanin) verbinden. Die Paare bilden die Leitersprossen des Doppelstrangs. Ein Strang ist viele Millionen Basenpaare lang (Quelle: DNA simple2.svg: Forluvoft).

Abb. 5.10 Das Protein Replikase (grau) fertigt eine Kopie eines RNA-Strangs an. Dazu bewegt es sich auf dem Originalstrang (obere Kette) entlang (Pfeil). Zu jedem Glied der Kette des Originals gibt es einen passenden Partner (nur Paarungen der Nukleinsäuren Adenin-Uracil (A-U) und Guanin-Cytosin (G-T)). Das Protein trennt den entstehenden Doppelstrang sofort wieder in zwei Einzelstränge. In der umgebenden Lösung müssen freie Nukleinsäuren für die Synthese des neuen Strangs verfügbar sein. Der neue Strang ist eine Negativkopie des alten. Erst nach einem nochmaligen Kopierprozess entsteht eine identische Kopie des ursprünglichen Strangs.

Abb. 5.11 Eine heiße Quelle im Hydrothermalfeld »Lost City« am Meeresboden in 900 Meter Tiefe im Mittelatlantik. An dieser Stelle tritt heißes, mineralstoffreiches Wasser aus tieferen Gesteinsschichten aus. Im Kontakt mit dem kalten Ozeanwasser kühlt sich das Thermalwasser ab und es bilden sich tropfsteinartige Ablagerungen der gelösten Salze. In winzigen Hohlräumen dieser Gesteine in der Umgebung dieser Quellen könnte das Leben entstanden sein (Quelle: NASA; D. Kelley and M. Elend/University of Washington).

Abb. 5.12 Rene Descartes, ein französischer Philosoph und Naturwissenschaftler des Rationalismus (»Ich denke, also bin ich.«) hielt Tiere für nichts weiter als komplizierte Automaten. Für Menschen galt das allerdings nicht. Sie waren seiner Meinung nach mehr (Quelle: mechanische Ente, gebaut von Jaques de Vaucanson (1738, Frankreich)).

Abb. 5.13 Größenvergleich eines Virus mit einem Bakterium und einer modernen Tierzelle. Ein Virus ist kaum mehr als ein Stück Erbgut, das, eingeschleust in eine Zelle, diese in eine Fabrik für neue Viren umprogrammiert. Ohne Wirtszelle ist ein Virus nicht lebensfähig. Bakterien werden daher als die einfachste Form wirklichen Lebens angesehen. Aber auch bei den Bakterien gibt es bereits eine große Vielfalt hinsichtlich der Größe und der Komplexität.

Abb. 5.14 Elektronenmikroskopische Aufnahme natürlicher Polioviren. Die Viren sind erheblich kleiner als die Wellenlänge des Lichts und daher im Lichtmikroskop nicht sichtbar. Polioviren sind die ersten Lebewesen, die künstlich »nachgebaut« wurden. Allerdings können sich Viren nicht selbstständig vermehren, sondern benötigen eine Wirtszelle. Insofern zählen sie nur bedingt zum »Leben« (Balken: 50 nm) (Quelle: US EPA, Foto: F.P. Williams).

6 Visionen der Medizin

Abb. 6.1 Elektronenmikroskopische Aufnahme der Erreger der Pest. Es handelt sich um den Bakterienstamm

Yersinia pestis

. Der Balken entspricht einer Länge von 0,5 Mikrometern (Quelle: Robert Koch Institut, Foto: Muhsin Özel, Gudrun Holland, Rolf Reissbrodt/RKI).

Abb. 6.2 Elektronenmikroskopische Aufnahme des Choleraerregers. Der Körper des Bakteriums ist rund 1,5Mikrometer lang und damit etwa so groß wie der Pesterreger. Das Bakterium hat eine Geisel zur Fortbewegung (Quelle: Robert Koch Institut, Foto Hans R. Gelderblom/RKI).

Abb. 6.3 Elektronenmikroskopische Aufnahme von HI-Viren (Länge des Maßstabs 0,1 Mikrometer) (Quelle: Robert Koch Institut, Foto Hans R. Gelderblom/RKI).

Abb. 6.4 Elektronenmikroskopische Aufnahme von Ebolaviren. Die fadenförmigen Viren können unterschiedliche Längen haben. Die Dicke der Fäden liegt unterhalb von 0,1 Mikrometern (Quelle: Robert Koch Institut, Foto Hans R. Gelderblom/RKI).

Abb. 6.5 Einer der ältesten nachgewiesenen Krebsfälle der Geschichte. Die Röntgenaufnahme dieser altägyptischen Mumie zeigt kleine rundliche Läsionen der Wirbel (helle Flecke im 3.–5. Lendenwirbel). Solche Verletzungen entstehen durch Metastasen des Prostatakrebses (Quelle: MNA/DDF – Instituto dos Museus e da Conservação, I.P., Lisbon (a); LMP / IMI – Imagens Médicas Integradas, Lisbon (b); [9]).

Abb. 6.6 Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Nervenzelle. Vielfältige dünne und vielfach verzweigte Dendriten führen in den Zellkörper, mit denen die Zelle Signale von Nachbarzellen empfängt (grau). Das Ausgangssignal der Zelle wird über das Axon (weiß) zu einem Empfänger weitergeleitet. Am seinem Ende kann sich das Axon baumartig zu mehreren Empfängern verzweigen (Quelle: Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Bradke

et al

.).

Abb. 6.7 Lichtmikroskopische Aufnahme einer Anhäufung von Nervenzellen, die bestimmte Muskelfasern (nicht sichtbar) steuern. Die Nervenzellen sind blau eingefärbt. Die Nervenleitungen (Axone) zur Muskulatur sind grün eingefärbt. (Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Immunocytochemistry; Aufnahme von Swharden).

Abb. 6.8 In einem Wachstumskegel eines Axons einer jungen Nervenzelle (oben) liegen die Mikrotubuli (dunkelgrau) des Zellskelettes geordnet parallel zur Wachstumsrichtung vor. In einem abgeschnittenen Ende eines Axons des Rückenmarks (unten) sind die Mikrotubuli ungeordnet. Ein gerichtetes Wachstum ist nicht möglich (Quelle: Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Foto: Schorner).

Abb. 6.9 Der Mythos von Jungbrunnen, dargestellt in einem Gemälde von Lucas Cranach dem Älteren (Quelle: Gemäldegalerie Berlin; 1546.).

Abb. 6.10 Hochzeitfoto von Jeanne Calment aus dem Jahr 1895. Sie wurde 1875 in Arles in Frankreich geboren und starb 1997 als ältester Mensch der Welt im Alter von 122 Jahren.

Abb. 6.11 »Kastanienbaum der 100 Pferde« auf Sizilien. Die Abbildung zeigt ein Gemälde von Jean-Pierre Houel (in seiner Reisebeschreibung »Voyage pittoresque de la Sicile, de Malta e Lipari«, 1787) aus dem Jahr 1777. Der Baum existiert heute noch und wird auf ein Alter von mehr als 2000 Jahren geschätzt.

Abb. 6.12 Der Süßwasserpolyp Hydra kann sich auch ungeschlechtlich durch Knospung vermehren. Ein neues Lebewesen wächst aus seinem Stamm. Genetisch gesehen ist die Knospe identisch mit dem Elterntier. Es handelt sich also um einen Klon. Die Hydra altert nicht, denn sonst hätte der Klon eine kürzere Lebenserwartung (Quelle: Britannica Online for Kids, Kim Taylor/Nature Picture Library).

Abb. 6.13 Züchtung ist ein passiver Eingriff in das Erbgut, indem die zufällige Variabilität von Generation zu Generation genutzt wird, um bestimmte Eigenschaften wie die Größe eines Tiers zu optimieren. Wie weit bereits diese harmlose Variante der Gentechnik reichen kann, zeigt die Vielfalt der Hunderassen.

7 Geist und Bewusstsein

Abb. 7.1 Skizze eines Innenohrs mit einem Cochlea Implantat. In der Schnecke (rechts) windet sich ein spiralförmiger Kanal nach innen. Dort sitzen die Haarzellen, die durch die Schallwellen der jeweils passenden Frequenz zum Schwingen angeregt werden. Sie geben dann elektrische Impulse an den Hörnerv ab. Im äußeren Bereich ist die Hörschnecke für tiefe Töne empfindlich, während im inneren, verengten Teil höhere Töne zu Schwingungen führen. Ist die Mechanik der Schallübertragung vom Trommelfell beschädigt oder sind die Haarzellen zerstört, kann eine dünne Elektrode in den Kanal der Schnecke eingeführt werden (gestrichelt). Die Elektrode kann die Nervenzellen in verschiedenen Zonen des Kanals elektrisch stimulieren. Dazu ist sie segmentweise metallisiert. Jedes Metallsegment ist über innen verlaufende Kabel mit einem unter der Kopfhaut implantierten Minicomputer verbunden. Der Computer wird von außen induktiv mit Energie und mit den Signalen eines Mikrophons versorgt.

Abb. 7.2 Es handelt sich hier im einen Sehnerv einer jungen Maus (3 Wochen alt), der für die Elektronenmikroskopie durch Hochdruckgefrieren, Gefriersubstitution und Plastikeinbettung präpariert wurde. Wiederverwendet mit freundlicher Genehmigung. Copyright: Dr. Wiebke Möbius und Prof. Dr. Klaus-Armin Nave, MPI für experimentelle Medizin, Göttingen..

Abb. 7.3 Nanofasern aus einem leitfähigen biokompatiblen Material, die senkrecht auf einem Substrat aufgebracht wurden. Auf den Fasern wächst eine Zelle (hellgrau). Die Fasern sind fein genug, um daraus einen Stecker für eine Verbindung mit dem Sehnerv herstellen zu können. Ein Problem ist noch die Kontaktierung der einzelnen Fasern mit einem Steuerchip (Quelle:

Small

©Wiley 2005; mit Erlaubnis).

Abb. 7.4 Eine einzelne Nervenzelle eines Ommatidiums feuert elektrische Pulse ab. Die Pulsfrequenz hängt von der Helligkeit ab. Je heller es ist, umso höher ist die Frequenz. Die Frequenz ist also der Code für die Helligkeitsinformation. Im Experiment wurde das Licht für etwa eine Sekunde abgedunkelt.

Abb. 7.5 Schemazeichnung des inneren Aufbaus eines Hippocampus. Tatsächlich gibt sehr viel mehr Nervenzellen, Axone und Dendriten als in dem vereinfachten Schema eingezeichnet sind (Quelle: Golgi, C. Sulla fina anatomia degli organi centrali del sistema nervoso. Reggio-Emilia: S. Calderini e Figlio; 1885).

Abb. 7.6 Der Hippocampus-Chip ist ein erster Versuch, eine ausgefallene Gehirnfunktion durch einen Computerchip zu ersetzen. Ist der Hippocampus geschädigt, geht die Fähigkeit, neue Erinnerungen im Gedächtnis einzuspeichern, verloren. Die Funktion des Hippocampus kann durch einen Mikrocomputer übernommen werden, der über eine Elektrode die hereinkommenden Daten liest, umwandelt und an das Langzeitgedächtnis weiterleitet. In Versuchen an Ratten hat ein solcher Chip die Gedächtnisleistung von Tieren mit geschädigtem Hippocampus teilweise wiederherstellen können [6].

Abb. 7.7 Elektrische Impulse von Nervenzellen sind naturgemäß langsam, und es lassen sich allenfalls Radiowellen mit niedriger Frequenz und großer Wellenlänge erzeugen. Für Langwellensender sind große Antennen erforderlich. Die Antennenanlage in Grimeton (Schweden) sendete auf einer Frequenz von rund 20 Kilohertz. Damit ist es möglich, mit nicht zu tief getauchten U-Booten zu kommunizieren (Foto: Clemensfranz).

Abb. 7.8 Martin Krämerbewegt die Schachfiguren mit reiner Gedankenkraft: Experiment im voll besetzten Audimax während der »Langen Nacht der Wissenschaften« (Quelle: © TU Berlin/Pressestelle/Ruta. Mit freundlicher Genehmigung der TU Berlin, © Jacek Ruta).

Abb. 7.9 Mit Sensoren (Kreise), die möglichst dicht auf der Hirnhaut platziert werden müssen, lässt sich die Gehirnaktivität messen. Wenn die Testperson spricht, sind bei jedem Wort unterschiedliche Regionen aktiv. Die Signale der Sensoren lassen sich für die Steuerung von einem Rollstuhl oder Roboterarm nutzen (Quelle: Frontiers in Neuroscience © 2015 Herff, Heger, de Pesters, Telaar, Brunner, Schalk und Schultz).

Abb. 7.10 Ausschnitt aus dem Schaltplan eines Prozessors. Die aktiven Elemente sind die Transistorenmit jeweils drei Anschlüssen (Kreise). Der Intel 4004 Prozessor aus dem Jahr 1971 besaß rund 2300 Transistoren. Ein Chip der neuesten Generation besitzt fünf Milliarden Transistoren.

Abb. 7.11 Vision eines Künstlers, wie eine einzelne Nervenzelle im Gehirn aussehen könnte. Inputsignale von den Zellen aus der Umgebung erreichen die Nervenzelle über ihre vielen Dendriten. Das Ausgangssignal verlässt die Zelle über das Axon (dickerer Fortsatz nach hinten), das sich an seinem Ende ebenfalls baumartig verzweigt (Quelle: Stock Photo, © Nikita Belokhonov).

Abb. 7.12 Supercomputer Titan am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, USA. Der hallenfüllende Rechner erreicht eine Rechenleistung 15 000 Petaflops. Der zurzeit leistungsstärkste Rechner steht in China und erreicht 33 000 Petaflops (Quelle: http://www.olcf.ornl.gov/titan).

Abb. 7.13 Skizze des ungefähren Aussehens einer winzigen Region im Gehirn eines Neugeborenen (a), eines ein Jahr alten (b) und eines fünfjährigen Kindes (c). Die Persönlichkeitsentwicklung und der Zuwachs an Wissen und Fähigkeiten entsprechen der Zunahme an Verbindungen zwischen den Nervenzellen. Die Anzahl der Zellen bleibt nahezu konstant.

Abb. 7.14 Zeichnung einer einzelnen Nervenzelle (Purkinjezelle) mit einem stark verästelten Dendritenbaum von Santiago Ramón y Cajal.

8 Die Grenzen des Wissens: Die Elementarteilchen

Abb. 8.1 Alle bekannte Materie ist aus Atomen aufgebaut. Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen. Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich gemäß der klassischen Vorstellung ähnlich den Planeten im Sonnensystem auf Bahnen um den Kern https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stylised_Lithium_Atom.svg.

Abb. 8.2 Der leere Raum wird durch hohe Feldstärken polarisiert. Diese Eigenschaft des Raums schwächt das elektrische Feld des Elektrons ab, allerdings nur bei sehr hohen Feldstärken. Es ist also der Raum selbst, der das Problem der unendlich hohen Feldstärke eines punktförmigen Teilchens löst.

Abb. 8.3 Das Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark, während das Neutron aus zwei Down- und einem Up-Quark aufgebaut ist (Quelle: Arpad Horvath).

Abb. 8.4 Der Versuch, die zwei Quarks in einem Meson zu trennen, führt zu der Entstehung eines neuen Quark-Antiquark-Paares. Die beiden neuen Quarks verbinden sich sofort mit den ursprünglichen Quarks zu zwei neuen Mesonen. Die enorm hohen Energien, die notwendig sind, um zwei Quarks zu trennen, genügen für die Entstehung neuer Quark-Antiquark-Paare. Das ist eine Erklärung dafür, dass einzelne Quarks bisher im Experiment nicht beobachtet wurden

Abb. 8.5 Übliche zweidimensionale Darstellung der Raumkrümmung in der Nähe einer Masse. Auch die kleinere Masse (blau) krümmt den Raum. In Wirklichkeit handelt es sich um eine vierdimensionale Verzerrung der Raumzeit, die nicht anschaulich dargestellt werden kann.

Abb. 8.6 Darstellung eines elektrostatischen Kraftfeldes. Es hat die gleiche Form wie ein Gravitationsfeld in der Umgebung einer kugelförmigen Masse. Trotz ihrer ähnlichen Form werden die beiden Felder durch unterschiedliche Mechanismen hervorgerufen (Quelle: AllenMcC).

Abb. 8.7 Eine anschauliche Erklärung, wie eine Kraftwirkung durch den Austausch von Teilchen zustande kommt, liefert das Bild zweier Akteure, die sich gegenseitig einen Ball zuwerfen. Der Rückstoß beim Abwurf und beim Auffangen treibt sie voneinander weg. Für eine anziehende Wirkung, wie sie im elektrischen Feld zwischen ungleichnamigen Ladungen existiert, gibt es keine solche anschauliche Erklärung.

Abb. 8.8 Zweidimensionale Veranschaulichung der Raumkrümmung. Gezeigt ist ein Blick von oben auf eine flache Ebene in der Raumzeit, die durch eine zentrale Masse verzerrt wird. In jedem Quadrat ist gleichviel Platz, obwohl die inneren Flächen von außen betrachtet kleiner aussehen. Die verzerrte Ebene ist immer zweidimensional, aber sie wird in der Nähe der Masse zusammengestaucht. Der Raum ist dort dichter, und die Zeit vergeht langsamer (Quelle: Astrokramkiste).

Abb. 8.9 Vorstellung eines Künstlers von den Quantenfluktuationen, die die Raumzeit auch dann ausfüllen, wenn Kraftfelder und Teilchen abwesend sind. Die Darstellung zeigt eine zweidimensionale, von heftigen Fluktuationen bewegte Oberfläche. Tatsächlich sind die Quantenfluktuationen ein Phänomen der vierdimensionalen Raumzeit. Sie sind extrem klein und extrem kurzlebig (Quelle: NASA/CXC/FIT/E. Perlman

et al

., Illustration: NASA/CXC/M. Weiss).

Abb. 8.10 Der Casimir-Effekt führt zu einer Anziehung zwischen zwei Metallplatten. Die Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes im Raum zwischen den Platten sind auf kurze Wellenlängen beschränkt, die zwischen die beiden Platten passen. Für die längeren Wellenlängen können dort keine Fluktuationen auftreten. Der (schwache) Strahlungsdruck durch die Fluktuationen von außen überwiegt den Gegendruck von innen. Der Effekt zeigt, dass der Raum auch dann, wenn die Feldstärke im zeitlichen Mittel null ist, Felder beinhaltet (Quelle: Emol [1]).

Abb. 8.11 Das Bild zeigt einen millimetergroßen Metallkreisel, der sich mit konstanter Geschwindigkeit um sich selbst dreht. Seine Drehgeschwindigkeit, seine Masse und sein Durchmesser bestimmen seinen »Schwung«, der wissenschaftlich korrekt Drehimpuls genannt wird. Ohne Reibung dreht sich ein Kreisel für alle Zeiten weiter – wie beispielsweise auch die Erde, die sich seit vielen Milliarden Jahren um sich selbst dreht. Alle Teilchen sind offenbar winzige kleine Kreisel.

Abb. 8.12 Eine Vorstellung, die vielleicht hilft, um das seltsame Verhalten der Elementarteilchen zu verstehen, ist ein Wirbel auf einer Wasseroberfläche. Ohne Reibung wäre ein Wirbel stabil. Ein Teilchen kann als Miniwirbel im Gewebe der Raumzeit aufgefasst werden.

9 Die Grenzen des Wissens: Die Naturgesetze

Abb. 9.1 Die Helligkeit, mit der eine Fläche von einer Lichtquelle angestrahlt wird, nimmt quadratisch mit der Entfernung ab. Die Lichtstrahlen (hellgrau) laufen geradlinig auseinander. Beim doppelten Abstand ist die Fläche, die ausgeleuchtet wird, viermal so groß. Beim dreifachen Abstand ist sie neunmal so groß. Da die Lichtmenge immer die gleiche ist, erhält jedes Flächenelement mit wachsendem Abstand entsprechend weniger Licht. Dieses Abstandsgesetz findet sich an vielen Stellen in der Natur. Es gilt auch für das Gravitationsgesetz und die elektromagnetische Wechselwirkung (Quelle: www.eye.de, Klaus Mangold).

Abb. 9.2 Das Verhältnis Umfang zu Radius hat bei einem Kreis auf einer gekrümmten Kugeloberfläche einen anderen Wert. Der Radius folgt der Krümmung der Kugeloberfläche und ist somit etwas länger als in einer flachen Ebene. Ähnliches gilt auch in einem gekrümmten dreidimensionalen Raum (Quelle: Itai).

10 Die Grenzen des Wissens: Das Universum

Abb. 10.1 Vereinfachte Darstellung des Urknallmodells. Das Universum entstand vor 13,7 Milliarden Jahren im Urknall und expandiert seither weiter. Ganz zu Beginn durchlief es eine Phase überlichtschneller Expansion, der sogenannten Inflation. Sie endete nach weniger als einer Sekunde und seither läuft die Expansion moderat weiter. Erste Sterne und Galaxien entstanden nach 400 Millionen Jahren. In den letzten Milliarden Jahren beschleunigt die Expansion wieder (Quelle: NASA/WMAP Science Team).

Abb. 10.2 Darstellung der Temperaturunterschiede der kosmischen Hintergrundstrahlung. Das Oval zeigt die Strahlung aus allen Raumrichtungen einer Kugel um die Erde. Es gibt Richtungen, aus denen die Strahlung etwas kühler ist und Raumrichtungen, aus denen die Temperatur der Hintergrundstrahlung etwas höher ist. Die granulare Struktur des Musters kann durch die Urknalltheorie erklärt werden (Quelle: NASA/WMAP Science Team 2012).

Abb. 10.3 In Hochenergiebeschleunigern werden Teilchen und Antiteilchen (hier ein Elektron e

‒

und ein Antielektron e

+

) mit hoher Energie zu Kollision gebracht. Dabei entsteht sehr viel Strahlung und ein Schauer neuer Teilchen (Quelle: Welt der Physik, DESY).

Abb. 10.4 Die aus der Lichtablenkung errechnete tatsächliche Massenverteilung in einem Galaxienhaufen. An den Standorten der Galaxien ist die Massendichte erwartungsgemäß am höchsten, denn dort befindet sich die bekannte Materie in der Form von Sternen und Gas. Um jede Galaxie herum gibt es zusätzlich eine weit verteilte Masse, bei der es sich um die Dunkle Materie handeln könnte. In der Mitte des Galaxienhaufens hat sich besonders viel von dieser Materie angesammelt. Die Massendichte sinkt dort zwischen den Galaxien nicht mehr auf null ab (Quelle: NASA, W.N. Colley, E. Turner, and J.A. Tyson).

Abb. 10.5 Computersimulation der großräumigen Struktur des Universums. Jeder winzige Leuchtpunkt ist eine Galaxie oder ein Galaxienhaufen. Die Galaxien und Galaxienhaufen ordnen sich in Filamenten und Knoten an. Sie sind eingebettet in die Dunkle Materie. Die Filamente umschließen gigantische Leerräume, sogenannte Voids. Die hier gezeigten Computerdaten stimmen überraschend gut mit den Messdaten der wirklichen Materieverteilung im Universum überein (Quelle: Max Planck Institut für Astrophysik: The Millenium Simulation Project (2005)).

Abb. 10.6 Nach dem heutigen Stand besteht das Universum zum Großteil aus Dunkler Energie, die die Expansion antreibt. Die zweite wichtige Komponente ist die Dunkle Materie. Normale Materie wie Sterne und Planeten machen nur knapp 5% der Gesamtmenge an Masse und Energie im Universum aus. Was die Dunkle Energie und die Dunkle Materie sind, ist unbekannt (Quelle: MPG Heidelberg, Manfred Lindner; Hintergrundbild Hubble Space Telescope/ESA, NASA).

Abb. 10.7 Drei verschiedene Darstellungen der Messdaten der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die ovale Himmelsprojektion zeigt farbcodiert die Temperatur der Strahlung, die aus allen Richtungen zur Erde kommt. In einer normalen Skala von 0 bis 3 Grad Kelvin sind keine Temperaturunterschiede zu erkennen (oben). Auf einer 100-mal genaueren Skala von 2,72 bis 2,73 Grad Kelvin werden weiträumige Temperaturunterschiede erkennbar (Mitte). Sie entstehen durch die Eigenbewegung der Erde. Die Strahlung aus Raumregionen, auf die sich die Erde zubewegt, wird blau verschoben (linker grauer Bereich) und scheint eine etwas höhere Temperatur zu haben. Die Strahlung aus der entgegengesetzten Richtung wird rotverschoben (rechter hellgrauer Bereich) und scheint daher etwas kühler zu sein. Werden dieser Effekt und die Störungen durch die Milchstraße herausgerechnet, ergibt sich das untere Bild. Hier überstreicht der Farbcode nur noch einen Bereich von 20Mikrokelvin. Es sind also nochmals 500-mal kleinere Temperaturunterschiede. Die Temperaturunterschiede im frühen Universum waren extrem klein (Quelle: NASA/LAMBDA Projekt).

Abb. 10.8 Luftblasen im klaren Wasser. Die Blasen erinnern ein wenig an Universen verschieden Alters, die in einem höherdimensionalen Raum nebeneinander existieren könnten.

Guide

Cover

Inhaltsverzeichnis

Begin Reading

Pages

C1

II

III

IV

V

VII

IX

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

217

218

219

220

221

222

223

224

Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema

Schlichting, H.J., Ucke, C.

Physikalische Spielereien

Aktiv, kreativ, lehrreich

2016

Print ISBN: 978-3-527-33893-1

Ganteför, G.

Wir drehen am Klima - na und?

2015

Print ISBN: 978-3-527-33778-1

Zankl, H., Betz, K.

Trotzdem genial

Darwin, Nietzsche, Hawking und Co.

2014

Print ISBN: 978-3-527-33410-0

Full, R.

Vom Urknall zum Gummibärchen

2014

Print ISBN: 978-3-527-33601-2

Groß, M.

Invasion der Waschbären

und andere Expeditionen in die wilde Natur

2014

Print ISBN: 978-3-527-33668-5

Hermans, J.

Im Dunkeln hört man besser?

Alltag in 78 Fragen und Antworten

2014

Print ISBN: 978-3-527-33701-9

Oreskes, N., Conway, E.M.

Die Machiavellis der Wissenschaft

Das Netzwerk des Leugnens

2014

Print ISBN: 978-3-527-41211-2

Pohl, M.

Physik für alle

2014

Print ISBN: 978-3-527-41235-8

Hess, S.

Opa, was macht ein Physiker?

Physik für Jung und Alt

2014

Print ISBN: 978-3-527-41263-1

Synwoldt, C.

Umdenken

Clevere Lösungen für die Energiezukunft

2013

Print ISBN: 978-3-527-33392-9

Hüfner, J., Löhken, R.

Physik ohne Ende

Eine geführte Tour von Kopernikus bis Hawking

2012

Print ISBN: 978-3-527-41017-0

Gerd Ganteför

Heute Science Fiction, morgen Realität?

An den Grenzen des Wissens und darüber hinaus

Autor

Gerd Ganteför

Universität Konstanz

FB Physik

Universitätsstraße 10

78457 Konstanz

Deutschland

Titelbild

Fotolia.com © rolffimages

Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

Print ISBN 978-3-527-33881-8

ePDF ISBN 978-3-527-69319-1

ePub ISBN 978-3-527-69320-7

Mobi ISBN 978-3-527-69321-4

Über den Autor

Gerd Ganteför ist Physikprofessor an der Universität Konstanz. Er forscht im Bereich Clusterphysik und Nanotechnologie. Weiterhin ist er Research Professor im Department of Chemistry an der Johns Hopkins University in Baltimore, USA. In Konstanz hat er erfolgreiche Vorlesungen über Nanotechnologie sowie über Energie und Klima aufgebaut. Er ist Autor zahlreicher Fachartikel und hält öffentliche Vorträge zu vielfältigen Themen, insbesondere zur Energie- und Klimaproblematik und zu Chancen und Gefahren der Nanotechnologie. In der Reihe Erlebnis Wissenschaft erschienen bisher »Klima – der Weltuntergang findet nicht statt« (2010), »Alles Nano oder was? Nanotechnologie für Neugierige (2013)« und »Wir drehen am Klima. Na und?« (2015).

© Stephan Wagner, mit freundlicher Unterstützung des Deutschen Museums in München.

Vorwort

Mein Buch ist ein Plädoyer für die Naturwissenschaft. Es richtet sich gegen die zunehmende Technologieskepsis und gegen die um sich greifende Zukunftsangst. Die Naturwissenschaft arbeitet an einer fantastischen Zukunft für uns alle. Krankheiten werden Schritt für Schritt besiegt. Die Menschen werden länger leben und auch im hohen Alter gesund und fit bleiben. Wenn es der Physik gelingt, noch stärkere Energiequellen zu erschließen, werden die Menschen eines Tages sogar die Sterne erreichen. Die Frage ist nicht, ob es bewohnbare Planeten gibt, sondern nur, wie weit sie entfernt sind.

Manchmal scheint es, als habe die Wissenschaft schon alles Grundlegende erforscht, was es zu erforschen gibt und in der Zukunft würden nur noch die Details ausgearbeitet. Das ist falsch. Viele Indizien weisen darauf hin, dass uns ganze Bereiche der Natur bislang verschlossen sind. Dunkle Materie und Dunkle Energie sind zwei Beispiele solcher bis heute unerklärlicher Phänomene. Sie markieren die Grenze unseres heutigen Wissens. Dahinter liegt das Unbekannte.

Konstanz, März 2016

Gerd Ganteför

1Einleitung

Gibt es eigentlich noch etwas zu entdecken oder wissen wir schon alles? Werden wir immer einen Großteil unseres Lebens arbeiten müssen, um unseren Lebensunterhalt zu verdienen? Wird es immer Krankheiten geben? Sind wir auf ewig dazu verurteil, alt und schwach zu werden und schließlich zu sterben? Werden wir jemals die Sterne erreichen? Die Zivilisation hat seit der Entwicklung der Dampfmaschine vor 200 Jahren eine stürmische Entwicklung durchlaufen. Davor gab es in Europa regelmäßig Hungersnöte, kaum jemand hatte fließendes Wasser oder eine Kanalisation. In kalten Wintern erfroren Menschen. Elektrizität gab es nicht, die Reichen reisten mit Pferdekutschen, aber die meisten gingen zu Fuß. Im Vergleich zu der Zeit vor der industriellen Revolution leben wir heute in unvorstellbarem Wohlstand. Diese rasante Entwicklung wurde getragen durch Tatendrang, Mut, Neugierde und Optimismus. Die Öffentlichkeit verfolgte die Wettrennen der Entdecker zu den unerforschten Polarregionen, sie bewunderten die Riesenknochen der Dinosaurier und debattierten eifrig, wie alt die Erde denn sein könnte. Das Jahrhundertgenie Albert Einstein erreichte mit seiner Relativitätstheorie eine Popularität, um die ihn so mancher Popstar beneidet hätte. Geht diese Pionierzeit der spektakulären Entdeckungen und des rasanten Fortschritts nun zu Ende? Heute scheint es, als sei alles Wichtige bereits entdeckt und es ginge in der Forschung nur noch um Details.

Im Gegensatz zur Grundlagenforschung beschäftigt sich die Angewandte Forschung hauptsächlich mit Details. Beispiele sind die Entwicklung leistungsstärkerer Batterien oder sparsamerer Automotoren. Mit dieser Denkweise hätte niemand versucht, etwas so radikal Neues wie Flugzeuge zu entwickeln. Man würde noch immer in Pferdekutschen reisen, die allerdings sehr viel bequemer, leiser und preiswerter wären. Nur die Grundlagenforschung kann etwas wirklich Neues entdecken, das die Zukunft verändert. Grundlagenforschung macht allerdings nur dann einen Sinn, wenn es noch Grundlegendes zu entdecken gibt. Ein Beispiel ist die Geografie. Heute gibt es auf der Weltkarte keine weißen Flecken mehr. Entlegene Regionen können zwar noch besser kartografiert werden, aber einen neuen Kontinent wird man nicht mehr entdecken. Für die gesamte Naturwissenschaft gibt es diese Begrenzung aber nicht, denn die Natur und das Universum sind grenzenlos. Jeden Moment kann eine Entdeckung die Tür zu neuen, noch unerforschten Regionen der Realität aufstoßen. Wo die Grenzen des bekannten Wissens liegen und wo sich neue, unbekannte Regionen verbergen könnten, darum geht es im vorliegenden Buch.

Ein grundlegendes Rätsel: Die Naturkonstanten

Früher glaubten die Menschen, dass die Welt von Göttern erschaffen und gelenkt wurde. Naturgesetze waren göttliche Gesetze. Dagegen sieht die Physik das Universum als ein Uhrwerk an, das, einmal in Gang gesetzt, den Gesetzen folgend abläuft. Eines dieser Naturgesetze ist das Newtonsche Gravitationsgesetz. Die Überlieferung berichtet von einem Apfel, den Newton vom Baum fallen sah. Die Kraft, die den Apfel fallen lässt, ist die Schwerkraft der Erde. Newton kam auf die Idee, dass die gleiche Kraft den Mond auf seine Kreisbahn um die Erde zwingt und leitete aus dieser Überlegung ein Gesetz ab. Nach Newton ziehen sich alle Massen gegenseitig an. Bei großen Massen wie der Erde ist die Anziehung stark und mit wachsendem Abstand nimmt die Kraft ab. Das Gesetz gilt immer und überall. Es gibt eine große Anzahl solcher Naturgesetze, die jedes Detail im Universum regeln. Dazu gehören die Eigenschaften der Elementarteilchen, die vier Naturkräfte und die Naturkonstanten. Es ist eine lange Liste von Zahlen und Formeln und sie charakterisiert unser Universum.