Wir und der Sternenhimmel: Der Mensch ist ein Urknallrest

Physik – nicht gerade das Fach, das bei Schülern auf der Beliebtheitsskala ganz oben steht. Eher im Gegenteil. Es sei denn, man hat Glück, sprich einen Lehrer, der einem die Faszination dieser Naturwissenschaft näher bringt. Einer von diesen Professoren ist Martin Apolin.

Er will die so trockene Welt der Physik, die für viele nur aus unverständlichen Formeln besteht, mit Leben füllen. Wie er das macht? Indem er eben dieses Leben auf der Erde physikalisch erklärt, also die Biologie, die Medizin und unser ganzes Sonnensystem. Wie das alles zusammenhängt, hat er unterhaltsam in seinem neusten Buch beschrieben. Titel: „Himmels-Körper. Der Mensch, das Universum und der ganze Rest“.

Wie ist das jetzt also mit dem Universum und dem menschlichen Körper? Apolins kurze Antwort: „Wir Menschen sind eigentlich nichts anderes als Urknallreste.“ Wie das? „Unser menschlicher Organismus besteht aus 21 Bausteinen – zwei Drittel davon sind beim Urknall entstanden. So zum Beispiel das Element Wasserstoff, aus dem wir Menschen zahlenmäßig zum Großteil bestehen.“ Wobei der genaue Prozentsatz von Alter und Geschlecht abhängt. Je älter, desto weniger Wasserstoff in uns. Und Männer haben aufgrund ihrer Muskelmasse auch mehr als Frauen.

Staub zu Staub

Apolin beschreibt damit das, was Menschen schon seit biblischen Zeiten wissen – aus Staub sind wir geboren, zu Staub kehren wir zurück. Oder wissenschaftlich ausgedrückt: „Die chemischen Elemente werden immer wieder recycelt.“ „Durchaus möglich, dass wir in Millionen Jahren das Erdöl der kommenden Generationen sind.“

Das Kuriose – und schon fast Mystische: Wie diese Elemente agieren, wie sie zueinanderstehen, das macht uns als Menschen aus: Was wir denken, was wir fühlen, wie wir uns bewegen, was wir träumen.

Wie mysteriös und wunderbar zugleich das ist, beschreibt der Physiklehrer anhand der Farben: „Wissen Sie, dass es Rot, Grün und Blau eigentlich gar nicht gibt, sondern dass unser Hirn das nur erfindet?“ Ein Wunder auch für den Naturwissenschafter.

Warum das so ist und was das alles mit dem Licht zu tun hat, erklärt Martin Apolin so: „Das Faszinierende am Licht ist: Man kann es als elektromagnetische Wellen betrachten, und gleichzeitig auch als Strom von winzigen Körperchen, die man Photonen nennt.“

Faszination Licht

Diese Photonen sind nichts anderes als mit Lichtgeschwindigkeit fliegende, winzige Energiepakete. Aber wirklich winzig. Man bräuchte über eine Trillion davon – eine Zahl mit 21 Nullen –, damit man ein winziges Joule zusammenkratzen kann.

In diesen Paketen steckt allerdings nicht überall die gleiche Energie, was dazu führt, dass sie in unterschiedlichen Frequenzen schwingen. So treffen sie auf die menschliche Netzhaut, von wo aus sie in einer chemisch hochkomplexen Signalkaskade in elektrische Impulse umgewandelt werden. Ob wir nun Rot, Grün oder Violett sehen, hängt davon ab, mit welcher Frequenz sie auf die Rezeptoren der Netzhaut aufprallen. „Aber diese Farben entstehen erst im Gehirn. Warum das so ist, das ist immer noch ein Rätsel, das die Wissenschaft bis heute nicht entschlüsselt hat“, wundert sich der Physiker.

Das Spannende und zugleich Profane: „Unser Hirn ist ja nichts anderes als eine Ansammlung von Bausteinen wie Wasserstoff oder Phosphor. Irgendwie ist es ihm gelungen, daraus für uns die Illusion von Farben zu erzeugen. Ein Faszinosum.“

Wunder Leben

Unser ganzes Leben, alle biochemischen Prozesse, sind auf der untersten Stufe also Physik (weitere Beispiele siehe Grafiken unten). Und da deren Gesetze universal sind, ist es sehr wahrscheinlich, dass sich das Wunder Leben auch an anderer Stelle entwickelt haben könnte. Aber – warum haben wir dann bis heute noch keine Außerirdischen gesichtet?

Martin Apolin blickt hinauf in den Sternenhimmel, zuckt die Schulter, und meint: „Da haben wir Physiker keine Ahnung – aber immerhin ganz viele Ideen.“

Beispiele für Alltagsphysik

Hoch die Tassen. Eine Tasse heben – das ist Physik (siehe Grafik unter dem Text): Alle Kräfte greifen dabei am Schwerpunkt der Tasse an: Deren Gewichtskraft  bleibt immer gleich. Sobald Sie beginnen, die Tasse zu heben, (a), erhöht sich die Muskelkraft, mit der sie die nötige Gegenkraft aufbringen.  Solange die Muskelkraft kleiner ist als die Gewichtskraft der Tasse, zeigt die Gesamtkraft nach unten und die Tasse steht. Sobald die Muskelkraft die Gewichtskraft übersteigt, zeigt die Gesamtkraft hinauf (b), die Tasse wird nach oben beschleunigt. Hat sie das gewünschte Tempo, wird die Muskelkraft abgesenkt, sodass sie das Gewicht exakt kompensiert (c). Es gibt keine Nettokraft, die Tasse bewegt sich aufgrund der Trägheit gleichmäßig weiter. Zum Abbremsen muss die Muskelkraft unter das Gewicht der Tasse gesenkt werden (d). Im Stillstand entspricht  die Muskelkraft dem Gewicht (e). So simpel.

Der Mensch ist, was er sieht. Dass wir unsere Umwelt vor allem mit den Augen wahrnehmen, ahnt man. Dass das mehr als ein Gefühl ist, kann man wissenschaftlich belegen. (siehe Grafik unter dem Text) Man kann messen, wie groß die Informationsmenge ist, die auf die einzelnen Sinnesorgane trifft. Und siehe da: 90 Prozent der Information, die auf den menschlichen Körper einprasselt,  werden vom Auge an das Hirn geliefert – pro Sekunde sind es rund 10 Millionen Bit (man kennt die Maßeinheit vom Computer). Das sind zehn Mal so viel wie auf die Haut einströmen und 10.000 Mal so viel, wie von der Zunge (Grafik).
Wie sehr das Auge selbst kleinste Reize wahrnehmen kann, merkt man in der Nacht. Da kann dieses geniale Sinnesorgan sogar ein einzelnes Photon erkennen –  die kleinste Lichtmenge. Das menschliche Auge hat sich also an den empfindlichsten Wert angepasst. Erstaunlich.

Ordnungs ins Chaos bringen. Aufräumen. Alles strebt der Unordnung zu und lässt sich nicht so leicht rückgängig machen. Oder haben Sie es je geschafft, die Milch wieder vom Kaffee zu trennen? Umso erstaunlicher ist, dass lebende Organismen lange Zeit in einer Ordnung bleiben. (siehe Grafik unter dem Text) Damit das gelingt, muss die im Körper entstehende Unordnung woandershin gepumpt werden.   Man kann sich das vorstellen wie bei einem Schreibtisch, der sich ständig von alleine aufräumt  und dabei seine Umgebung immer unordentlicher werden lässt – normalerweise steigt die Unordnung mit der Zeit (Grafik).  Der Weg zur Ordnung des Organismus führt über die Nahrung: Rund 10.000 Kilojoule nimmt der Mensch am Tag zu sich.  Die fließen in Form von Wärme wieder aus dem Körper hinaus. Er nimmt die geordnete Energie (=Nahrung) zu sich und gibt ungeordnete Energie wieder zurück. Entdeckt hat das der Österreicher Erwin Schrödinger. Sauber.