A: Wie spät haben wir?
R: Es ist 11:30. Ich habe Hunger und keine Lust zum Kochen!
A: Ich bin auch hungrig und mag nicht kochen.
R: Dann nehmen wir unsere Taschen und Jacken und gehen ins Restaurant!
A: Ich ziehe die Schuhe an, nehme meine Jacke und schon bin ich fertig.
R: Schliesst du die Wohnungstür?
A: Ja, ich werde es machen.
R: Das Treppenhaus ist sauber.
A: Es wurde gestern geputzt.
R: Wir haben heute keine Post. Ich öffne die Haustür und schon sind wir draussen!
A: Oh, wie schön ist es draussen, es ist herrlich.
R: Zum Glück ist heute ein Feiertag, die Strassen sind fast leer.
A: Weniger Verkehr und Lärm! Was wäre, wenn die Strassen sieben Tage pro Woche leer wären, ohne Autos! Gehen wir zu Fuss?
R: Auf jeden Fall, wenn wir hier zur rechten Seite abbiegen, dann ist der Weg noch ruhiger.
A: Prima!
R: Ich habe einige grundsätzlichen Fragen.
A: Was sind deine Fragen?
R: Was ist ein Atom?
A: Wenn Wissenschaftler etwas erklären wollen, machen sie sich ein Modell, welches sie dann überprüfen. Ein wissenschaftliches Modell ist eine Idee, wie die Dinge sein können und wie sie sich durch Experimente überprüfen lassen. Erfolgreich ist ein Modell, wenn sich seine Voraussagen als richtig erweisen, insbesondere, wenn sie die Prüfung durch ein Experiment bestehen. Ein Atommodell ist also ein Bild vom Atom.
R: Wie wird ein Atom beschrieben?
A: Das Atom ist der kleinste Bestandteil der Materie. Alles um uns herum besteht aus Atomen. Pflanzen, Bäume, Gebäude sind aus unzähligen Atomen aufgebaut. Alles was wir sehen, berühren, schmecken, besteht aus Atomen. Sie sind die Grundbausteine aller Materie und das Fundament von Allem, was uns umgibt, sogar dem Leben selbst.
R: Also, die Materie, die wir kennen, besteht aus Atomen. Wie sieht ein Atom aus?
A: Ein Atom ist sehr klein, dass man es selbst mit einem leistungsfähigen Mikroskop nicht sehen kann. Damit man überhaupt etwas sieht, musste man mehrere Hundert- tausend zusammenbringen.
R: Kannst du ein Beispiel machen?
A: Ein Atom verhält sich zu einer Orange, wie eine Orange zur Erde. Stelle dir ein menschliches Haar vor, das Haar ist so schmal, vielleicht ein oder zwei Millimeter bereit, es ist leicht erkennbar und trotzdem ist ein Haar 300’000 Atome breit. Die Grösse eines Atoms beträgt etwa ein Zehnmilliardstel eines Meters, in Zahlen geschrieben: 0.0000000001 eines Meters.
R: Wie wird die Struktur eines Atoms dargestellt?
A: Im Zentrum des Atoms, im Mittelpunkt ist der Kern, der die Masse des Atoms enthält. Die Kerne sind mit einer Reihe Teilchen ausgestattet, die Protonen und Neutronen heissen. Im Inneren jedes Protons und Neutrons gibt es noch kleinere Teilchen, die Quark genannt wird. Und um das Atom herum in viele Schichten und Anordnungen sind die Elektronen.
R: Was sind ihre Eigenschaften?
A: Elektronen sind elektrisch negativ geladen, Protonen dagegen sind elektrisch positiv geladen und Neutronen besitzen keine elektrische Ladung. Darüber hinaus besitzt ein Atom noch zwei Merkmale; das Atom besteht 99,9% aus leerem Raum und ein Elektron befindet sich an keinem definierten Ort, es kann hier und dort sein. Die Forscher können entweder ein Elektron lokalisieren, oder seine Geschwindigkeit berechnen aber nicht beides zur gleichen Zeit.
R: Wenn die Atome, aus denen die Materie besteht, 99,9 % aus leerem Raum bestehen, dann besteht auch die Materie vorwiegend aus leerem Raum. Bestehen wir aus leerem Raum? Sind wir leere Räume?
A: Das kann wohl gesagt werden.
R: Interessant!
A: Stelle dir ein Fussballstadion vor, in dem hunderttausend Zuschauer/innen platzt haben. In der Mitte des Spielfeldes gibt es einen Tischtennisball. Wenn dieser Tischtennisball der Kern eines Atoms wäre, wären die Elektronen dann weit weg vom Kern, sie sind die letzte Reihe der Zuschauer/innen. Und jetzt stelle dir ein Atom wie ein winziges Sonnensystem vor. In der Mitte steht der Atomkern; er wird von winzigen Teilchen, den Elektronen, auf «Umlaufbahnen» umkreist. Anders als die Planeten, die um die Sonne kreisen, ist ein Elektron aber kein kleines rundes Etwas, das sich auf einer definierten Umlaufbahn befindet.
R: Wenn ein Elektron gleichzeitig an verschieden Orten vorhanden sein könnte, dann könnte ich auch an verschieden Orten vorhanden sein. Was die Elektronen machen, kann ich auch machen, ich bestehe schon aus ihnen. Bin ich gleichzeitig an verschieden Orten vorhanden?
A: Das könnte gesagt werden, es klingt seltsam, es ist kaum vorstellbar, ich empfehle dir, dich daran zu gewöhnen.
R: Woran soll ich mich gewöhnen?
A: Ganz einfach, dass du an verschiedenen Orten sein könntest!
R: Es ist nicht leicht, das ist eine verwirrende Vorstellung, dann gibt es viele Duplikate von mir und jedes von denen denkt, dass es das Echte ist und ich bin an verschieden Orten und nirgendswo, obwohl ich das Echte bin, muss ich meine Echtheit in Frage stellen. Allerdings ist die Welt des Atoms beeindruckend, so viele Teilchen im Inneren eines Atoms. Wie viele Arten von Atomen gibt es?
A: Das einfachste Atom ist Wasserstoff und er hat ein Proton und Elektron. Das ganze Mal zwei, plus zwei weitere Neutronen und man hat Helium. Wissenschaftler sind der Ansicht, dass 90 Prozent aller Atome im Universum Wasserstoffatome sind. Der restlichen 10 Prozent gehören zu den restlichen 117 Atomsorten, wobei einige Sorten häufiger vorkommen, andere äusserst selten sind. Die Zahl der Protonen im Kern jedes Atoms einer bestimmten Art ist immer gleich und entspricht der Zahl der Elektronen, die den Kern umkreisen.
R: Die alten Griechen bezeichnen Erde, Luft, Feuer und Wasser als vier Elemente. Was sind eigentlich Elemente?
A: Reine Substanzen, die aus Atomen eines Typs bestehen, werden Elemente genannt. Der Bestandteil eines Atoms die Protonen, Neutronen und Elektronen verbinden sich in verschiedenen Kombinationen und dadurch entstehen Atome mit einzig artigen chemischen Eigenschaften. Elemente sind Beispielweise Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Chlor, Eisen, Kupfer, Natrium, Gold,… Die Elemente sind von Forschern in einer Tabelle Namens Periodensystem dargestellt. Das Periodensystem der Elemente ist quasi die Bücherei des Universums. Das sind die Bausteine, aus denen chemische Verbindungen hervorgehen.
R: Die meisten Substanzen in unserer Umwelt sind aber keine Elemente!
A: Gewiss, sie sind keine Elemente, sondern Verbindungen. Sie entstehen, wenn sich mindestens zwei Atome auf ganz bestimmte Weise verbinden. Das Wasser, das wir täglich trinken, ist eine Verbindung aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Eine solche Atomverbindung nennt man Molekül. Wenn die Elemente kombiniert werden, dann entstehen die Moleküle. Kochsalz ist eine Verbindung aus Elementen Natrium und Chlor, nämlich Natriumchlorid. Atome verbinden sich zu Molekülen, aus denen Alles entsteht, was wir sehen, riechen, fühlen und schmecken.
R: Oh, schade, das Restraunt ist geschlossen, was machen wir jetzt?
A: Es ist sonnig, angenehm, meinetwegen gehen wir weiter und sicher finden wir ein anderes Restaurant.
R: Einverstanden, gehen wir weiter und ich fasse zusammen. Wir wissen, dass alle Materie aus Atomen besteht, die sich durch chemische Prozesse zu Molekülen verbinden. Atome sind sehr klein und bestehen aus Teilchen. Der Kern eines Atoms, der aus positiv geladenen Protonen und neutral geladenen Neutronen besteht, umfasst nur ein Hunderttausendstel der Grösse des Atoms. Die Elektronen, die um den Kern eines Atoms kreisen, sind negativ geladene Teilchen und befinden sich zur selben Zeit an verschieden Orten. Das war das Bild, das ich vom Atommodell aufgenommen habe. Magst du weiter?
A: Was meinst du?
R: Ich habe noch weitere Fragen?
A: Schiess los, wenn ich nicht weiss, werde ich schon sagen.
R: Die Atome bestehen aus Protonen, Neutronen, Elektronen, aus Teilchen. Es ist schwierig zu formulieren, die Frage ist, was hält ein Atom zusammen, was ist das, welches aus Teilchen ein Atom formt?
A: Das ist die strake Kernkraft. Die starke Kernkraft lässt die Sterne leuchten und erzeugt die wärmenden, lebenspendenden Sonnenstrahlen. Sie bindet die Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms. Ausserdem hält sie die Protonen und Neutronen selbst zusammen, was notwendig ist, weil diese Teilchen aus noch winzigeren Teilchen und zwar Quarks bestehen. Sie hält die Kerne der Atome zusammen und ist damit für die Existenz der Elemente verantwortlich. Die starke Kernkraft ist die Energiequelle für die Sonne und für die Kernenergie. Im Alltag haben wir mit ihr nicht unmittelbar zu tun.
R: Wie entstehen die Elemente?
A: 380’000 Jahre nach dem Urknall als das Universum sichtbar wurde, wurden die ersten Atome geboren. Wasserstoffatome sausen durch das frühe Universum. Doch sie verteilen sich nicht gleichmässig, was unser Glück ist. Im Laufe der Geschichte, wo immer sich ein Übermass an Energie und Materie an einem Ort konzentrieren, entstehen komplexe Dinge. Wie bei uns in unserem Leben, überall wo schon etwas ist, kann sich auch Neues entwickeln und wo nichts ist, kann sich auch nicht viel entwickeln. 200 Millionen Jahre nach dem Urknall und im Inneren der sich bildenden Galaxien ballen sich unter dem Einfluss der Gravitation Wolken aus Gas und Staub. Dies führt zu einem gewaltigen Anstieg von Druck und Hitze. Als die Temperaturen mehr als 100 Millionen Grad Celsius erreichten, kollidierten Wasserstoffatome und verschmelzen zu einem neuen Element und zwar zum Helium. Unmengen an Energie wurden freigesetzt. Dies ist die Geburtsstunde der ersten Sterne. Plötzlich waren diese neuen strahlenden Lichter, die Energie ins Universum sandten. Sterne sind mehr als blosse Lichtquellen, sie sind die Element-Fabriken im Kosmos. Die ersten Sterne waren viel grösser und heisser als unsere Sonne. Sie waren riesig und massereich. Sie fusionierten Wasserstoff zum Helium und Helium zur Lithium und bei den höheren Temperaturen brachten sie schwerere Atome hervor. Unter diesen schwereren Elementen sind Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Eisen. Stoffe, die auf der Erde und in uns allen in grosser Menge vorkommen. Nicht nur unser Sehvermögen, sondern auch unsere anderen Sinn – Berührung, Geruch, Geschmack und Hören – beruhen auf den Wechselwirkungen von Atomen, die ihrerseits aus den Wechselwirkungen elektrisch geladener Teilchen erwachsen.
R: Ich sehe einen Brunnen, wir können dort Wasser trinken, ich habe Durst.
A: Ich brauche auch Wasser, habe einen trockenen Mund.
R: Du hast viel geredet, du kannst zuerst trinken, danach trinke ich.
A: Ich glaube, das Wasser ist das beste Getränk.
R: Ich stimme zu. Das sagt man immer, wenn man Wasser trinkt. Wir müssen schon weiter gehen, erzähle noch!
A: Einige Millionen Jahre nach der Entstehung der ersten riesigen Sterne, explodierten einige von ihnen. Diese sogenannte Supernova sind die grössten Explosionen im Universum seit dem Urknall. Sie liefern die zusätzliche Energie, die zur Bildung schwere Elemente nötig ist. In der Feuersbrunst ihrer eigenen Zerstörung erzeugen diese Supernova Uran, Gold und den Rest der Elemente, die unsere Welt ausführen werden. Durch die gewaltige Explosion werden alle Elemente, die der Stern und die Supernova erzeugt haben, weit im Weltraum verstreut, darunter auch solche, die für das Leben notwendig sind. Irgendwann beginnt der Kreislauf in den Staubwolken mit ihren vielen schweren Elementen von vorn: Sie kondensieren und werden zu neuen Sternen und Planeten. So ist auch die Materie unseres Planeten entstanden und aus diesem Grund enthält er die Elemente, aus denen auch wir bestehen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und so weiter. Sie kamen aus dem Staub einer Supernova, die vor langer Zeit den Kosmos erleuchtete. Ohne die Supernova-Explosionen würden die Elemente, die das Leben ermöglichen, nicht existieren. Das bedeutet auch, dass unsere Sonne nicht die wahre «Mutter» der Erde ist. Obwohl viele Völker die Sonne als den Gott verehrt haben, der die Erde geschaffen hat, stimmt das nur teilweise. Zwar wurde die Erde ursprünglich von der Sonne geschaffen als Teil von Trümmern und Staub, die vor 4,5 Milliarden Jahren um die Sonne kreisten. Unsere Sonne ist gerade mal heiss genug, um Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen. Daraus folgt, dass unsere Wirkliche «Muttersonne» ein namenloser Stern oder Sternenhaufen war, der vor Jahrmilliarden in einer Supernova starb.
R: Also, alle Elemente, aus denen wir beide bestehen, sind im Inneren von Sternen entstanden, die zu einer Zeit existierten, als es unsere Erde noch gar nicht gab. Die Sterne explodierten vor langer, langer Zeit und haben alle diese Atome, die sie in ihrem Inneren hergestellt hatten, in den Weltraum hinausgeschleudert. Und nach Millionen, sogar Milliarden Jahren danach sind wir hier und diskutieren darüber. Ich kann daraus schliessen, dass wir allesamt Kinder der Sterne sind.
A: Bestimmt, wir sind tatsächlich aus Sternenstaub gemacht – aus dem Staub von Sternen, die vor einigen Milliarden Jahren starben. Ohne Supernovae gäbe es uns überhaupt nicht. Wir haben Eisen im Blut, winzige Überreste alter Supernova schwimmen durch unsere Körper. Kohlenstoffatome existieren in unseren Körpern. Die poetische Formulierung «Wir sind Sternenstaub» stimmt ganz buchstäblich. Wir bestehen aus den von Sternen gebildeten Elementen und die Erde hat uns aufgebaut, geformt und hergestellt.
R: Ich habe viel von Kohlenstoff gehört. Was ist seine Besonderheit?
A: Jedes Element ist auf seine Art etwas besonders. Eines jedoch, der Kohlenstoff, ist einzigartig. Die Kohlenstoffchemie hat sogar einen eigenen Namen. Man nennt sie «organische Chemie». Die Einzigartigkeit an Kohlenstoff ist, dass es beliebig lange Ketten bilden kann, sogar solche aus Hunderten von Atomen. Einige Wissenschaftler vertreten der Meinung, dass es vor 4 Milliarden Jahren und unter der Oberfläche unserer Ur-Ozeane ein Prozess stattfand. Sechs einfache Elemente darunter, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff haben fusioniert und die Grundbausteine alles Lebens einschliesslich des Menschen gebildet.
R: Man kann wohl sagen, dass der Kohlenstoff das Gerüst der Lebendigen ist. Siehst du die Bushaltestelle, da liegt ein Restaurant und es ist offen.
A: Ja, ich sehe es, ich kann fast zwei Portionen essen. Was willst du essen?
R: Ich weisse es nicht, sicher genug.
Quellen:
Dawkings, Richard. Der Zauber der Wirklichkeit. Berlin: Ullstein, 2012.
Hawking, Stephen. Die kürzeste Geschichte der Zeit. Hamburg: Rowohlt, 2010.
Hawking, Stephen. Der geheime Schlüssel zum Universum. München: Goldmann, 2010.
Hawking, Stephen. Der grosse Entwurf. Hamburg: Rowohlt, 2010.
Kaku, Michio. Im Paralleluniversum. Reinbek bei Hamburg: Rowohlt, 2007.
Randall, Lisa. Verborgene Universen. Frankfurt am Main: Fischer, 2013.
Susskind, Leonard. Der Krieg um das Schwarze Loch. Berlin: Sukrkamp, 2010.