Was ist Evolution? (2) – Warum der Sternenstaub überlebte

Ein Gastbeitrag von Helmut Pfeifer

Evolution erklärt uns die Entstehung des aufrechten Ganges oder die Länge von Giraffenhälsen. Eine Ansicht, die nicht falsch ist, aber von einem eingeschränkten Verständnis von Evolution zeugt. Diese setzte nämlich schon direkt nach dem Urknall ein, lange bevor an die ersten Lebewesen überhaupt zu denken war. Schon jetzt setzten sich stabile Teilchen gegen ihre instabileren „Konkurrenten“ durch. Helmut Pfeifer führt uns im zweiten Teil seiner Serie durch die Geschichte der kosmischen Evolution.

Ganz allgemein gesagt, beschreibt Evolution nicht zwingend aus dem Wandel vom Einfacheren zum Komplexen, vom Niederen zum Höheren; Evolution bedeutet nicht nur die zeitliche Veränderung in den Eigenschaften der Populationen von Lebewesen, sondern sie schließt den ganzen Kosmos mit ein. Evolution ist in Wirklichkeit ein über den Bereich der Biologie weit hinausreichender, ein den ganzen Kosmos umfassendes Prinzip. Evolution ist identisch mit der revolutionierenden Entdeckung, dass der Kosmos, dass die ganze Welt selbst ein geschichtlicher Prozess ist. Alle Wirklichkeit, die uns umgibt, hat einen historischen, einen sich entwickelnden Charakter. Es besteht ein unübersehbarer Zusammenhang zwischen bestimmten, die Struktur unseres Universums prägenden Naturkonstanten und der Fähigkeit dieses Universums, Leben hervorzubringen. Mit anderen Worten, es ist nachträglich betrachtet unübersehbar, dass das Universum aus dem Urknall mit Eigenschaften hervorging, die es als „maßgeschneidert“ für die Entstehung von Leben erscheinen lassen. Dieser Umstand wird wissenschaftlich anthropisches Prinzip („anthropic principle“) genannt. Leben ist sozusagen, für diesen Kosmos „typisch“. Offenbar neigt die Materie aufgrund der Besonderheiten ihrer atomaren Struktur dazu, sich bevorzugt und sozusagen bei jeder sich ihr bietenden Gelegenheit zu den – uns heute rückblickend als „Lebensmoleküle“ geläufigen – Verbindungen zusammenzufügen. Es ist sachlich zulässig der Evolution Erfindungskraft und Phantasie zuzusprechen, ohne dadurch aus ihr ein „verständiges“ Wesen zu machen.

Was ist kosmische Evolution?

Wenn, wie wir festgestellt haben, die biologische Evolution nur einen Teil eines universalen Prozesses darstellt, dann müssen wir, um ihre Realität zu begründen und ihre Gesetzlichkeit verstehen zu wollen, auch von diesem umfassenden kosmischen Rahmen ausgehen.

Folgen wir also, vom Punkt „null“ beginnend, dem bereits zitierten Wandel vom Einfachen zum Komplexen, vom Niederen zum Höheren. Dabei muss nochmals betont werden, dass dieser Prozess nicht auf ein bestimmtes Ziel gerichtet ist und noch lange nicht zu einem Stillstand gekommen ist und noch weit über unsere Gegenwart hinaus andauern wird. Nicht „wie“ sich Evolution abspielt, ist das Rätsel, sondern „dass“ sie sich abspielt. Um sinnvoll über Evolution sprechen zu können, ist es notwendig, sich mit dem Ursprung der Welt zu befassen. Dieser beginnt mit der von den meisten Kosmologen und Astronomen vertretenen Theorie des „Urknalls“, bei dem aus dem Nichts, für den Menschen unverständlich, etwas entstanden sein sollte. Für viele Menschen ist daher die von der christlichen Lehre abgeleitete „göttliche Schöpfung“ die einzige Erklärung dafür.

Creatio ex nihilo – Raum und Zeit entstehen

Für den Physiker bedeutet „Nichts“ kein Raum, keine Zeit sowie auch keine Materie. Da Raum unauflöslich mit der Zeit verbunden ist, bedeutet die Schaffung des Raums beim Urknall auch die Schaffung der Zeit. Nur durch die „Sprache“ der Mathematik kann dieser Vorgang beschrieben werden, was aber nichts an der Tatsache ändert, dass dies alles jenseits des menschlichen Vorstellungsvermögens liegt. Was die sehr lang geltende Vorstellung anlangt, Materie könnte durch natürliche Mittel nicht geschaffen werden, so wurde diese in den 30iger Jahren des 20. Jahrhunderts widerlegt.

Ausgangspunkt dafür war Einsteins berühmte Gleichung E=mc², die u.a. die Aussage trifft, dass Masse und Energie einander entsprechen, was auch besagt, dass Massenänderungen immer auch Energieänderungen sind. Daraus war abzuleiten, dass Materie Energie enthält, sehr viel Energie. Lässt sich eine Möglichkeit finden, sie freizusetzen, verschwindet die Materie in einem gewaltigen Energiestoß. Umgekehrt kann Materie entstehen, wenn es, vereinfacht ausgedrückt, gelingt, Energie in hinreichendem Ausmaß zu konzentrieren. Möglich gemacht wurden die diesbezüglichen epochalen Erkenntnisse durch die Verbindung der Relativitätstheorie mit der relativistischen Quantentheorie, die sich bekanntlich mit dem Verhalten und den Eigenheiten von Materie im atomaren und subatomaren Bereich beschäftigt.

Letztlich muss aber eingeräumt werden, dass man sich im Hinblick auf die Entstehung von Materie aus bereits bestehender Energie noch immer im Bereich von Theorien und Hypothesen befindet und man weiterhin nach der Herkunft der Energie fragen muss, die ja in den verschiedensten Formen auftreten kann. Bleiben wir auf der Ebene jener Erscheinungsweisen und Charakteristika des Urknalls, welche die Kosmologen und Astronomen rekonstruiert haben und einem realistischen Szenario noch am nächsten kommen. Was kann man hinsichtlich des Urknalls realistischer Weise annehmen?

Der Urknall fand etwa vor 13,8 Milliarden Jahren statt, das haben die neuesten spektralanalytischen Analysen der kosmischen Hintergrundstrahlung ergeben, welche, in den 60-ger Jahren entdeckt, von dieser gewaltigen „Explosion“ herrührt. Die Frage: „Wo hat sich der Urknall ereignet?“ kann einfach mit „überall“ beantwortet werden.

Es entstand die „Zeit“. Ihre kürzeste Spanne ist der 10 hoch 43ste Teil einer Sekunde, die sogenannte Planck-Zeit. Es entstand der Raum: Er bestand aus dem auf einen Punkt konzentrierten Universum und war um Milliarden mal kleiner als ein Atomkern, der einen Durchmesser von bloß einem 10 Milliardstel Millimeter besitzt. In diesem auf einen Punkt zusammengepressten Universum herrschten Dichten und Temperaturen, welche die menschliche Vorstellungskraft um astronomische Werte übersteigen.

In der allerersten Phase liefen eine Fülle kompliziertester atomarer Prozesse ab. Die mit Lichtgeschwindigkeit erfolgende, ganz präzis regulierte Ausdehnung bewirkte eine rasche Abnahme der Temperaturen. Alles spielte sich rasend schnell ab, auch die Entstehung der ersten Bestandteile der Materie, nämlich die der ersten Elementarteilchen. Man nimmt an, dass es sich um Quarks, Elektronen, Protonen und Neutrinos samt ihren Antiteilchen handelte.

Die ersten Minuten: Von der Strahlung zur Materie

Warum sich zu diesem Zeitpunkt Materie und Antimaterie nicht „aufgehoben“ haben, wo sie sich doch bekanntlich bei einem Aufeinandertreffen gegenseitig vernichten, ist nach wie vor Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen und Spekulationen. Fest steht aber, dass es eine „Asymmetrie“ zugunsten der Materie gegeben haben musste, sonst hätte unser sichtbares, physikalisches Universum nicht entstehen können.

Es entstanden sodann die vier grundlegenden Kräfte, welche für den stabilen Zusammenhalt eines Atoms und damit für eine geordnet strukturierte Materie sorgen. Es sind dies die starke Kernkraft, die schwache Kraft (auch schwache Zerfallskraft genannt), die elektromagnetische Wechselwirkung und die Schwerkraft. Sie sind auf das präziseste reguliert, was bedeutet, dass die Abweichungswerte von den gegebenen Größen in Bereichen liegen, die nur mit negativen Hochzahlen ausgedrückt werden können. Ungefähr drei Minuten nach dem Anfangsmoment war die Abkühlung so weit fortgeschritten, dass sich die Isotopen der zwei ersten Elemente Wasserstoff und Helium bilden konnten. Kurz darauf unterschritt die kosmische Temperatur jedoch die für derartige Kernverschmelzungen kritische Grenze bevor die Kerne schwererer Elemente entstehen konnten.

Am Anfang war der Wasserstoff

Die „Geschichte“ dieser Welt, unseres Universums, von deren Großartigkeit intelligente Wesen erst seit kurzem zumindest eine Ahnung bekommen haben, hatte somit begonnen. Diese Entwicklung begann konkret mit der Bildung des ersten Elements, dem Wasserstoff. Er ist praktisch der „Urstoff“ aus dem sich die gesamte Materie unseres Universums aufbaut und es ist eine der erstaunlichsten Tatsachen, dass aus diesem einen Element im Laufe von Milliarden Jahren und der Einwirkung der Naturgesetze alles hervorging, was wir um uns herum wahrnehmen, einschließlich uns selbst. Das einfach gebaute Wasserstoffatom enthielt also von Anfang an die Möglichkeiten eines ganzen Universums.

Auch heute noch ist der Wasserstoff das mit Abstand häufigste Element im Universum, weil Sonnen zum größten Teil aus Wasserstoff bestehen. Planeten fallen in wahrstem Sinne des Wortes nicht „ins Gewicht“, wenn man sich vergegenwärtigt, dass im Falle unseres Sonnensystems der Anteil der Sonne an der Gesamtmasse 99,9 Prozent beträgt. Bezüglich der weiteren Entwicklung nimmt man an, dass es über sehr lange Zeiträume hinweg an vielen Stellen des Universums zu Kontraktionen riesiger Wasserstoffwolken gekommen ist, aus denen die ersten Generationen an Sonnen entstanden, die sich in Galaxien angeordnet haben. Sie sind der größte Teil der sichtbaren Materie im Universum. Experten schätzen gemäß aufwendiger Computerberechnungen, dass die Entstehung heutiger Milchstraßensysteme vom Beginn der jeweiligen Kontraktion solcher Wolken einige 100 Millionen Jahre gedauert haben dürften. Milchstraßen, auch Galaxien genannt, enthalten jeweils eine riesige Zahl an Sonnen, die wir allgemein als Sterne bezeichnen. So enthält die Galaxie, der unser Sonnensystem angehört etwa 200 Milliarden Sterne und der größte Durchmesser beträgt ungefähr 100.000 Lichtjahre.

Der „große kosmische Zyklus“ der Sterne

Sonnen machen eine Entwicklung durch, welche sich an ganz bestimmte Gesetze halten, die ihre „Biografie“ bestimmen. Das heißt, sie entstehen, haben eine gewisse Lebensdauer und vergehen wieder. Es ist ein Kreislauf, der in diesem Fall „großer kosmischer Zyklus“ genannt wird. Sonnen, oder sagen wir allgemein Sterne, bilden sich am häufigsten in dunklen, dichten Bereichen des intergalaktischen Gases. Die diesbezüglichen Umstände und genauen Vorgänge sind recht gut erforscht und brauchen aber hier nicht Gegenstand näherer Erörterungen sein. Die aktive Phase einer Sonne ist allgemein gekennzeichnet durch die Wasserstoff-„Verbrennung“ (Kernfusion), die unterschiedlich schnell ablaufen kann.

Bedeutsam ist nun zu wissen, dass der Zustand einer Sonne nur in seiner aktiven Phase stabil ist, weil sich nur dann der innere Strahlungsdruck und das von außen lastende Gewicht der Sonnenmasse genau das Gleichgewicht halten. Wenn also der von innen kommende Strahlendruck der Kernfusion nachlässt, wird der Stern wegen des zunehmenden Einflusses der Gravitation der eigenen Masse instabil. Es kommt zu Kontraktions- und Ausdehnungsphasen, welche je nach Masse des Sterns verschiedene Dimensionen annehmen können und allgemein durch Rückkoppelungsprozesse ausgelöst werden. Beim Einsetzen jeder Phase des kernenergetischen Verbrennungsprozesses mit gigantischen Temperaturen von Hunderten Millionen Grad Celsius wird der Stern einer größeren Unordnung seiner inneren Struktur unterworfen. Dabei werden immer neue Prozesse der Energiegewinnung in gang gesetzt, bei denen es zur Erzeugung schwerer Elemente hin bis zum Eisen in atomarer Form kommen kann. Gerade hier sind es die massereichen Sterne, welche durch gewaltige Explosionen, verursacht durch den „Gravitationskollaps, einen beträchtlichen Teil ihrer Masse, angereichert mit neu entstandenen Elementen an den interstellaren Raum zurückgeben, der in Folge mehrerer Sterngenerationen immer mehr mit diesen Elementen in atomarer oder staubähnlicher Form angereichert worden ist.

Das bedeutet, dass im Verlauf mehrerer kosmischer Generationswechsel alle Materie in Form all dieser Elemente entstanden ist, die im Universum existiert. Jedes Atom der Materie aus dem unser Planet einschließlich aller Lebewesen auf ihm besteht, ist in den Zentren von Sonnen entstanden, die längst vergangener Sterngenerationen angehört haben. Nichts von all dem, was unsere alltägliche Welt ausmacht, hätte ohne diesen gewaltigen kosmischen Prozessen entstehen können. Man kann sagen, dass eine ganze Galaxie mit mehreren Hundert Millionen Sonnen notwendig war, um das hervorzubringen, was uns täglich umgibt. Wir sind also tatsächlich Sternenstaub. Diese Tatsache außer Acht zu lassen, wäre, wie schon am Ende des 1. Teils erwähnt, so, als würde man den „Roman“ der natürlichen Geschichte des Universums bis zum heutigen Tag erst in der Mitte des Buches zu lesen beginnen, welche sich mit der biologischen Evolution beschäftigt.

Teil 3 der Serie demnächst auf diesem Blog.