Die Sonne ist von entscheidender Bedeutung für das Leben auf der Erde, doch die Existenz der Sonne und der Sterne, die zumeist aus kollabierenden Wasserstoffatomen bestehen, ist im allgemeinen ein Wunder. Die Wahrscheinlichkeit, dass Sterne und die sie kontrollierenden Kräfte zufällig auftreten, ist praktisch unmöglich. Damit Sterne existieren können, muss es folgende Kräfte geben:

1) Eine schwache Anziehungskraft ist notwendig, damit das Universum in seiner vorliegenden Form bestehen kann:

Die Kraft, durch die ein Teilchen von der Schwerkraft beeinflusst wird, ist proportional zu seiner Masse. Die tatsächliche Kraft zwischen zwei Körpern ergibt sich aus der gemeinsamen Multiplikation der beiden Massen und der Multiplikation des Ergebnisses mal einer universellen Konstante, deren fantastische Kleinheit eines der Rätsel im Bereich der Parameter der Teilchenphysik ist. Diese Gravitationskonstante hat einen Wert von ca. 10 hoch minus 38 (10-38) und stellt die Gravitationskraft zwischen zwei Protonen dar.

Die Gravitation ist ein schwache Kraft und spielt doch ein wichtige Rolle auf der Erde und im Weltraum. Sternenkörper setzen sich aus enormen Teilchenmengen zusammen, und die winzige Massenanziehung jedes Teilchens hat eine erhebliche kumulative Wirkung. Sterne können ohne eine schwache Gravitationskonstante nicht bestehen. Je geringer die Schwerkraft, desto mehr Protonen müssen aufeinandergehäuft werden, damit der Druck im Zentrum eine Atomreaktion auslösen kann. Da die Gravitationskonstante winzig klein ist, müssen Sterne so groß sein, und weil die Sterne so groß sind, können sie "Milliarden" Jahre brennen.

Wäre die Gravitationskraft stärker als sie es ist, wären Sterne viel kleiner und würden schneller ausbrennen.

2) Neutronen, Protonen und Elektronen haben genau die richtige Größe für die Kern- und Atomphysik (Quantenphysik):

Das Neutron ist nur geringfügig schwerer als das Proton, etwa um zwei Tausendstel. Das Elektron ist achthundert mal leichter als das Proton, doch rätselhafterweise entspricht die Elektronenmasse ziemlich genau der Differenz, um die ein Neutron mehr Masse hat als ein Proton. Ohne diese Massendifferenz wäre es unmöglich, dass Atomkerne zusammengehalten werden und stabile Kerne bilden. Ohne stabile Kerne würde die Welt, wie wir sie kennen, nicht bestehen.

3) Die spezifische Massen- und Energiedichte von leerem Raum:

Einem leeren Raumvolumen wird nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie eine Masse zugeschrieben. Diese Masse ist eine kosmologische Konstante, die eine intrinsische Massen- und Energiedichte misst. Wäre diese Konstante größer, würde sich das Universum gravitationsmäßig zusammenziehen und in sich zusammenfallen, ähnlich wie ein schwarzes Loch oder ein implodierender toter Stern. Damit dies nicht geschieht, darf die kosmologische Konstante in der Protonmasse nicht größer sein als ungefähr 10 hoch minus 40 (10-40). Eine höhere Konstante würde zu einem kurzlebigen Universum ohne Bildung von Sternen führen.

4) Alpha:

Die Ausstrahlung von Licht ermöglicht den Sternen die Befreiung von der von ihnen erzeugten Energie, so dass sie nicht explodieren. Licht ist ein elektromagnetischer Aspekt. Die elektrische Kraft zwischen zwei Elementarteilchen ist viel stärker als ihre Massenanziehung. Die Stärke der elektrischen Wechselwirkung wird anhand der sogenannten Alpha-Zahl gemessen, die das Maß der elektrischen Kraft zwischen zwei Protonen oder Elektronen ist, und einen Wert von ca. 1/137 hat. Dies ist eine Konstante, die dem Stern die Abstrahlung von Licht erlaubt. Wissenschaftler haben während des gesamten 20. Jahrhunderts herauszufinden versucht, warum die Alpha-Konstante auf diese notwendige Konstante eingestellt ist – und keine Erklärung gefunden, es sei denn, man zieht ein intelligentes Design in Betracht.

5) Große Kernkraft:

Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Protonen sind gleich geladen und die meisten Atome enthalten zahlreiche Protonen, die eng zusammengedrängt sind. Daher müssten Atome eigentlich auseinanderbersten, wenn sie keine andere Kraft zusammenhält, eine Kraft, die stärker ist als die Schwerkraft oder Elektrizität. Diese Kraft muss stark genug sein, um die Atomkerne zusammenzuhalten, darf aber nicht so stark sein, dass sie die nuklearen Kettenreaktionen eines Sterns verhindert. Diese Kraft muss ebenso von kurzer Reichweite sein, damit Elektronen, Protonen und Neutronen nicht in einem großen Kern zusammengebunden und alle chemischen Reaktionen unmöglich gemacht werden. Eine solche Kraft gibt es. Es handelt sich um eine starke Kernkraft, die ihren Einfluss auf einer Reichweite von ungefähr einem Atomkern ausübt.

6) Schwache Kernkraft:

Eine weitere notwendige Kraft heißt schwache Kernwechselwirkung. Diese Kraft ist zu schwach um zu binden, kontrolliert aber die grundlegende Kernreaktion in der Physik der Sterne, durch die ein Elektron und ein Proton in ein Neutron und einen Neutrino umgewandelt werden.

Die vorgenannten Daten stammen von Lee Smolin in “The Life of the Cosmos” [Das Leben des Kosmos] (Oxford University Press, 1997). Lee Smolin sagt in der Diskussion, die er „Das Wunder der Sterne“ nennt:

„Wenn wir unser Universum wirklich verstehen wollen, dürfen wir die Relationen zwischen den Strukturen auf großer Ebene und den Elementarteilchen nicht als Zufall verstehen. Wir müssen verstehen, wie es dazu kam, dass die Parameter, die die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen kontrollieren, so aufeinander abgestimmt und ausbalanciert sind, dass ein derart vielfältiges und komplexes Universum entsteht.

„Natürlich ist es immer möglich, dass dies nur Zufall ist. Bevor wir weitermachen, sollten wir uns vielleicht die Frage stellen, wie wahrscheinlich es wohl ist, dass ein von zufällig gewählten Parametern geschaffenes Universum Sterne enthält. Angesichts des Vorgenannten ist es einfach, diese Wahrscheinlichkeit zu schätzen ... Die Antwort in runden Zahlen benennt eine Wahrscheinlichkeit von eins zu zehn hoch zweihundert neunundzwanzig (1:10229).“

Den Naturkonstanten verdanken wir unser Leben

http://www.welt.de/print-welt/article599295/Den_Naturkonstanten_verdanken_wir_unser_Leben.html


Von THOMAS BÜHRKE

Heidelberg - Die uns umgebende Welt erscheint uns mit ihren vielfältigen Phänomenen unglaublich kompliziert. Um so erstaunlicher ist es, daß ein Satz von nur wenigen physikalischen Größen alle Naturphänomene bestimmt: die sogenannten Naturkonstanten. Diese fundamentalen Größen lassen sich zwar messen, offen ist aber die Frage, ob diese "Konstanten" wirklich konstant sind. Überdies hat sich herausgestellt, daß die Werte der verschiedenen Naturkonstanten sehr fein aufeinander abgestimmt zu sein scheinen. Wären sie nur geringfügig anders, hätte es nie Sterne, Planeten oder gar Leben gegeben. Wodurch sie aber festgelegt wurden, liegt vollkommen im dunkeln. Die erste Naturkonstante, die als solche erkannt wurde, ist die Gravitationskonstante, das Maß für die Stärke der Schwerkraft. Der britische Physiker Isaac Newton führte sie vor etwa 300 Jahren bei der Entdeckung des Schwerkraftgesetzes ein. Lange Zeit machten sich die Forscher keine Gedanken darüber, ob die Gravitationskonstante und die anderen Fundamentalgrößen überall im Universum und zu jeder Zeit denselben Wert besitzen oder besessen haben. Erst mit dem Aufkommen der Urknalltheorie in den dreißiger Jahren, nach der sich das Universum über Jahrmilliarden hinweg entwickelt hat, kamen auch Zweifel an der Konstanz der Konstanten auf. Den Stein ins Rollen brachte 1937 der britische Physiker Paul Dirac mit einer Idee, die später als "Theorie der großen Zahlen" in die Physikgeschichte einging. Dirac hatte errechnet, daß die elektrische Kraft zwischen den beiden Atombausteinen Proton und Elektron 10 hoch 39 Mal stärker ist als deren Anziehung durch die Schwerkraft. Das Verhältnis dieser beiden Kräfte ist unabhängig vom gegenseitigen Abstand der Teilchen und somit eine Naturkonstante. Außerdem sei der Durchmesser des Universums 10 hoch 39 Mal größer als der des Protons. Dirac fand noch weitere Verhältnisse mit dem Wert 10 hoch 39 und glaubte daher nicht an einen Zufall. Da sich aber das Universum ausdehnt, mußte auch das Größenverhältnis zum Proton wachsen. Wenn die beiden großen Zahlen nun zu jeder Zeit in der Entwicklung des Universums gleich groß gewesen sein sollten, mußte sich auch das Verhältnis zwischen elektrischer Kraft und Schwerkraft vergrößert haben. Dirac vermutete, daß die Gravitationskonstante seit dem Urknall abgenommen hat, die Schwerkraft also schwächer geworden ist. Diracs Vermutung erwies sich schon bald als Täuschung. Die Idee einer sich zeitlich verändernden Gravitationskonstante jedoch blieb und war später Teil von durchaus ernstzunehmenden Alternativen zu Einsteins Theorie der Schwerkraft, der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Hypothese einer variablen Gravitationskonstante läßt sich bis zu einer bestimmten Genauigkeit überprüfen. Wenn die Schwerkraft nämlich abnimmt, müßten sich die Planeten langsam immer weiter von der Sonne und der Mond von der Erde entfernen. Dies gilt auch für Raumsonden. Die genaue Beobachtung der Flugbahn der Viking-Sonden zum Mars oder die millimetergenauen Abstandsmessungen zum Mond über Jahre hinweg ließen keine Veränderung der Gravitationskonstante erkennen. Sie kann sich demnach seit dem Urknall um höchstens zehn Prozent verändert haben. Bei anderen Naturkonstanten konnten die Physiker die maximal mögliche Variationsbreite stärker eingrenzen. Ein Beispiel ist die sogenannte Feinstrukturkonstante. Sie legt in Atomen fest, in welchem Abstand vom Kern sich die Elektronen bewegen und bestimmt unter anderem die chemischen Eigenschaften der Elemente. Astronomen sind in der Lage, mögliche Veränderungen der Feinstrukturkonstante im Laufe der vergangenen Milliarden Jahre sehr genau zu messen. Mit Spektrometern zerlegen sie das Licht der Galaxien in seine Regenbogenfarben. Gaswolken, die sich zwischen einer solchen Galaxie und der Erde befinden, verschlucken bestimmte Anteile des Lichts, was sich als Schar dunkler Linien im Spektrum bemerkbar macht. Für die Astronomen sind diese Linienmuster wie Fingerabdrücke, anhand derer sich die in der Wolke befindlichen Elemente identifizieren lassen. Sollte sich die Feinstrukturkonstante seit dem Urknall kontinuierlich verändert haben, so müßten die Linien einer sehr weit entfernten Wolke ein etwas anderes Muster aufweisen als die einer nahen Wolke. Denn wegen der endlichen Laufzeit des Lichtes blicken die Astronomen stets auch in die Vergangenheit des Universums zurück: Ein zehn Milliarden Lichtjahre entferntes Objekt sandte das heute empfangene Licht aus, als das Universum erst etwa zwei Milliarden Jahre alt war. Bei solchen Spektralanalysen ließen sich bislang keine Veränderungen der Linienmuster und damit auch der Feinstrukturkonstante erkennen. Demnach kann sich diese Naturkonstante seit dem Beginn der Welt höchstens um etwa ein Promille verändert haben. Im Laboratorium läßt sich mit Atomuhren oder Lasern die Konstanz anderer Naturkonstanten, wie das Massenverhältnis von Proton zu Elektron, überprüfen. Keines dieser Experimente lieferte bislang einen Hinweis auf eine zeitliche Variation. Bewiesen ist damit zwar nicht, daß die Konstanten wirklich konstant sind, aber nichts deutet auf das Gegenteil hin. Aus diesem Grunde gehen heute die meisten Forscher davon aus, daß die Naturgesetze überall im Universum gelten und zu jeder Zeit gleich waren. Die Naturgesetze und ihre Konstanten wurden, davon sind die Kosmologen überzeugt, bereits im

OFFENE FRAGEN DER WISSENSCHAFT
ersten Augenblick nach dem Urknall festgelegt. Damit war die Entwicklung des Universums im Prinzip besiegelt: Es entstand neben der Strahlung auch Materie, die sich aufgrund der Schwerkraft zusammenballen und Sterne bilden konnte. Um eine Welt entstehen zu lassen, in der sich Planeten und letztendlich auch das Leben entwickelte, waren die Naturkonstanten offenbar optimal "gewählt". Ein Beispiel hierfür ist die Feinstrukturkonstante und ihr Einfluß auf die Kohlenstoffproduktion im Innern der Sterne. Kohlenstoff ist mit seiner chemischen Eigenschaft, komplexe Moleküle bilden zu können, Grundlage für Leben, wie wir es kennen. Dieser Stoff ist jedoch nicht im Urknall entstanden. Er wurde und wird noch immer im Innern der Sterne bei Kernfusionsreaktionen gebildet. In der Endphase ihres Lebens geben die Sterne den Kohlenstoff beispielsweise bei Supernova-Explosionen an den Weltraum ab, wo er als Rohstoff für neue Sterne und Planeten zur Verfügung steht. Nun besitzt die Feinstrukturkonstante offenbar einen optimalen Wert dafür, daß Kohlenstoff in sehr großen Mengen entsteht. Eine Änderung um nur ein Prozent würde die Produktion auf ein derart geringes Niveau vermindern, daß die lebensnotwendigen Bausteine nicht in ausreichender Menge vorhanden wären. Ein weiteres Beispiel sind die elektrischen Kräfte. Wären sie nur wenige Prozent stärker als die starken Kernkräfte, gäbe es keine weiteren Elemente außer Wasserstoff. Diese und andere Beispiele zeugen von einer exakten Abstimmung der Fundamentalkonstanten. Was steckt hinter dieser wunderbaren Ordnung der Natur? Ein göttlicher Plan oder Zufall? Zumindest Naturwissenschaftler tendieren eher zur zweiten Ansicht. Wären die Konstanten anders ausgefallen und das All lebensfeindlich, so gäbe es uns Menschen eben nicht, und niemand würde nach den Konstanten fragen. Diese Interpretation erscheint vielen Kosmologen dennoch unbefriedigend. Der britische Theoretiker Dennis Sciama hat sie einmal mit folgendem Vergleich ad absurdum zu führen versucht: "Stellen Sie sich vor, Sie kämen in ein Zimmer und fänden auf einem riesigen Tisch eine Million Karten, die numeriert sind und in der Reihenfolge 1, 2, 3 und so weiter bis eine Million angeordnet sind. Würden Sie annehmen, daß sie zufällig so hingelegt worden seien, weil jede Anordnung gleich wahrscheinlich ist? Ganz sicher nicht." Eine Lösung dieses Dilemmas bieten Kosmologen an, nach deren Theorien unser Universum nur eines von unzählig vielen anderen, parallel existierenden Universen ist. In diesen anderen, für uns nicht beobachtbaren Welten könnten völlig andere Naturgesetze herrschen. In den meisten Universen gäbe es gar keine Materie, in anderen würde eine wesentlich größere Gravitationskonstante dafür sorgen, daß der Raum sich vielleicht nur wenige Jahre lang ausdehnt und anschließend von der Schwerkraft wieder zusammengezogen wird. In anderen Universen mag die Schwerkraft so schwach sein, daß sich das Gas nie zu Sternen verdichten kann. Die Wahrscheinlichkeit, daß alle Naturgesetze so aufeinander abgestimmt sind, daß eine Welt wie die unsere entstehen kann, ist offenbar gering. Aber nur in diesen seltenen Fällen kann Leben, wie wir es kennen, entstehen. Alle anderen Universen sind sozusagen Totgeburten. Dennoch, der menschliche Geist strebt danach, die Natur zu durchdringen, und so ist es das erklärte Ziel der Physiker, eine Fundamentaltheorie zu finden, die möglicherweise erklärt, warum die Naturkonstanten so sind, wie sie sind. Es ist die berühmte Suche nach der "Weltformel", an der schon Einstein und Heisenberg gescheitert sind und an der sich heute der Physiker Stephen Hawking versucht.NÄCHSTEN SAMSTAG: Die Rätsel der Tiefsee

Wir existieren, weil die Naturkräfte und -konstanten unglaublich fein aufeinander abgestimmt sind. Wurde das Universum von Gott für uns maßgeschneidert oder gibt es eine natürliche Erklärung?
Die Frage zielt auf das wohl größte Rätsel unserer Existenz: Warum gibt es etwas und nicht nichts? Und: Warum sind wir, die Menschen, hier? Darüber grübeln Philosophen und Naturforscher schon seit der Antike. Endgültige Antworten haben sie natürlich nicht gefunden. Doch sie versuchen zumindest eine Annäherung mithilfe physikalischer Theorien.

Unsere Existenz verdanken wir dem unglaublich fein abgestimmten Zusammenspiel der Naturkräfte und -konstanten. Sie wurden im Augenblick des Urknalls festgelegt, seither bestimmen sie die Entwicklung des Kosmos. Ihr Zusammenwirken ließ das All so werden, wie wir es kennen. Wären sie nur geringfügig anders beschaffen, würde es völlig anders aussehen. Lebewesen, die Planeten, auf denen sie existieren, und die Sonnen, um die diese Trabanten kreisen, würde es jedenfalls nicht darin geben.

Die „starke Kraft“

Ein Beispiel liefert die „starke Kraft“. Sie hält die Atomkerne zusammen. Wäre sie nur um wenige Prozent stärker, gäbe es keinen Wasserstoff mehr im All: Alle Wasserstoffatome, die aus dem Urknall hervorgingen, wären nach kurzer Zeit zu Helium verschmolzen. Bei einem geringeren Wert hätten sich hingegen nie Atome bilden können. In beiden Fällen würde es keine Sterne geben und damit keine schwereren Elemente wie den Lebensgrundbaustein Kohlenstoff. Denn massereiche Atome werden in den Sternen aus leichteren Elementen erzeugt.

Ebenso gäbe es ohne eine präzise eingestellte elektromagnetische Kraft – sie lässt unter anderem den elektrischen Strom fließen – weder stabile Atome noch chemische Reaktionen und folglich auch kein Leben. Oder die Gravitation: Würde sie stärker wirken, wäre das Universum nach dem Urknall rasch wieder kollabiert; wäre sie schwächer, hätte sich die Materie darin zu einem dünnen Gasnebel verflüchtigt, aus dem nie Galaxien, Sterne oder Planeten hervorgehen könnten. Noch viel erstaunlicher erscheint indes der Wert der „kosmologischen Konstanten“ – jener von Albert Einstein so getauften Kraft, welche die mit dem Urknall begonnene Expansion des Universums beschleunigt. Nach den Regeln der Quantenphysik sollte sie 10 hoch 120-mal stärker sein als von den Astronomen beobachtet. Dann aber hätte sie den Kosmos auseinandergerissen – Sterne und Galaxien wären darin nie entstanden. Im Umkehrschluss muss die Feinabstimmung in Bezug auf die „kosmologische Konstante“ auf 120 Dezimalstellen genau sein.

Das Wechselspiel von 37 Naturkräften

Insgesamt sind 37 Naturkräfte und -konstanten bekannt. Wieso aber wirken sie so reibungslos zusammen, dass sie Leben hervorbringen? Womöglich, sinnierten manche Kosmologen, ist dies der Zweck des Universums. Denn mit den intelligenten Kreaturen, die es auf unserem und vermutlich noch vielen anderen Planeten beobachten, schafft es sich gleichsam ein Bewusstsein seiner selbst. Aus solchen Überlegungen heraus formulierten die Forscher das „anthropische Prinzip“. Es lautet: „Unser Universum muss so beschaffen sein, dass es die Entstehung von Beobachtern in manchen Phasen erlaubt.“

Anfangs drückte das „anthropische Prinzip“ die Hilflosigkeit der Himmelsforscher aus. Ihr Problem ist, dass sich die Konstanten nicht in tiefere Zusammenhänge einbetten lassen. Sie sind nach heutigem Wissen völlig unabhängig voneinander und können nicht aus anderen Größen hergeleitet werden, die dann wahrhaft fundamental wären. Für diesen Umstand sind zwei Erklärungen denkbar: Zum einen könnte es Kräfte geben, die der Natur innewohnen und die Feinabstimmung gezielt bewirken. Dies bedeutet jedoch letztendlich, dass ein Schöpfer die Werte der Konstanten festgelegt hat – und zwar so, dass sie Leben herbeiführen. Dieser Gedanke trieb schon Albert Einstein um. „ Was mich eigentlich interessiert, ist, ob Gott die Welt hätte anders machen können; das heißt, ob die Forderung der logischen Einfachheit überhaupt eine Freiheit lässt“, äußerte er einmal.

Die Rolle des Zufalls

Die alternative Idee ist, dass die passgenauen Werte der Konstanten einem unglaublichen Zufall entspringen. Daran wollen die Wissenschaftler aber erst recht nicht glauben. Manche versuchten, die Wahrscheinlichkeit dafür auszurechnen, etwa der berühmte britische Physiker Roger Penrose. Er errechnete eine unglaubliche Zahl: 1 : 10 hoch 10 hoch 123. Anders ausgedrückt, müsste ein Schöpfer mit sämtlichen Teilchen und Feldern im Kosmos 10 hoch 10 hoch 123 Mal würfeln, bis sich zufällig genau die Konfiguration unseres Universums ergibt. Würde diese Zahl mit Ziffern von nur der Größe eines Protons ausgeschrieben, würde sie den Durchmesser des Universums übertreffen. Die Wahrscheinlichkeit für eine Zufallsgeburt unseres Alls ist also von Null kaum verschieden.

Ein Geschenk des Himmels

Für Kreationisten ist diese Rechnung ein Geschenk des Himmels. Mit ihrer Hilfe wollen sie „beweisen“, dass der Kosmos nicht durch natürliche Prozesse entstand, sondern dass Gott ihn erschaffen haben musste. Die Naturwissenschaftler kommen aber lieber ohne eine „übernatürliche Ursache“ der Entstehung des Universums aus. Inzwischen ersannen sie einen Weg, der den göttlichen Schöpfungsakt umgehen könnte. Womöglich, so ihre Überlegung, gibt es nicht nur einen Kosmos, sondern Myriaden davon, die ein übergeordnetes Multiversum bilden. Darauf weist die so genannte Stringtheorie (von englisch „string“ = Saite) hin. In diesem Ideengebäude gelten die Elementarteilchen als winzige eindimensionale Fäden, die aber heftig schwingen. Je nach Frequenz und Schwingungsmodus bilden sie die bekannten Teilchen wie Proton oder Elektron. Der Haken dabei: Für die Formeln der Theorie gibt es bis zu 10 hoch 500 verschiedene Lösungen.

Zunächst ließ diese ungeheure Zahl die Forscher verzweifeln. Mit einer solchen Fülle möglicher Lösungen, dachten sie, könne die Theorie unser All niemals zutreffend und eindeutig beschreiben. Später aber erkannten sie, dass genau diese Vielfalt aus dem „anthropischen Dilemma“ herausführen könnte – nämlich dann, wenn jede Lösung einen eigenen Kosmos beschreibt. Jeder davon besäße jeweils andere Eigenschaften. Festgelegt würden sie durch Naturkonstanten, die in jedem Universum anders ausfallen. Tatsächlich bringt jede Version der Stringtheorie andere Teilchen und Kräfte hervor.

Ein unendliches Netz verzweigter Universen

So könnte es Kosmen geben, die von strukturlosem Gas erfüllt sind, andere dagegen von dichten Ballungen exotischer Teilchen. Einige kollabierten unmittelbar nach ihrer Entstehung, manche haben nur zwei Dimensionen oder mehr als drei. In dieser Landschaft der Universen gibt es nur wenige, in denen lebensfreundliche Konstanten realisiert sind. Dazu zählt unseres, und womöglich ist es sogar das einzige. Das „anthropische Prinzip“ wäre damit erfüllt, weil wir nur hier, in dem für uns maßgeschneiderten All, auftauchen können und sonst nirgends. Einige dieser fremden Räume könnten sogar von Lebensformen bevölkert sein, von denen wir nicht einmal träumen können. Sie könnten beispielsweise aus magnetisch zusammengehaltenen Plasmawolken oder noch exotischeren Gebilden bestehen. Das Multiversum könnte aus einem unendlichen Netz verzweigter Universen bestehen, die unentwegt durch quantenphysikalische Prozesse auseinander hervorgehen, oder aus Kosmen, die beim Kollaps von Riesensternen zu schwarzen Löchern werden (siehe die Kolumne „Gibt es Paralleluniversen“ vom 5. 1. 2007).

Die Frage, warum wir hier sind, wäre damit beantwortet: Das Universum hat uns gewissermaßen eingeladen und für unseren Auftritt die Bühne bereitet. Die wohl noch wichtigere Frage, warum es überhaupt etwas gibt, bleibt aber offen. Träfe die Idee mit einer unendlichen Abfolge von Kosmen zu, die sich fortpflanzen, würde das Problem nur zurückgereicht in einen Urkosmos – oder in die Ewigkeit. „Wenn ich wüsste, warum das Universum entstand“, schrieb er einmal, „würde ich alles wirklich wichtige wissen.“

Philipp Wehrli, 4. März 2006

Unser Universum ist geradezu perfekt darauf abgestimmt, bewusst denkende Beobachter hervorzubringen. Nach dem anthropischen Prinzip ist diese überragende Feinabstimmung notwendig: “Die Umgebung, die ein bewusst denkender Beobachter wahrnimmt, ist so, dass ein bewusst denkender Beoabachter in dieser Umgebung überleben kann.” Diese Aussage scheint je nach Auslegung trivial oder falsch. Als Richtlinie kann das anthropische Prinzip aber sehr wertvoll sein, wenn jemand sich Gedanken macht über seine Stellung im Universum, wenn er sich fragt, welche anderen Lebewesen möglicherweise ebenfalls zu den bewusst denkenden Lebewesen zählen oder wie der unbeobachtete Teil des Universums aussehen könnte.



1. Zwei Interpretationen des anthropischen Prinzips

Das anthropische Prinzip besagt: “Die Umgebung, die ein bewusst denkender Beobachter wahrnimmt, ist so, dass ein bewusst denkender Beoabachter in dieser Umgebung überleben kann.” Dieser Satz wird auf zwei unterschiedliche Arten interpretiert:

Schwaches anthropisches Prinzip
Nach der schwachen Interpretation ist das anthropische Prinzip als Mahnung vor möglichen Fehlschlüssen zu verstehen. Wir müssen damit rechnen, dass das, was wir am häufigsten beobachten, nicht das ist, was in der Welt am häufigsten vorkommt. Wenn bewusst denkende Lebewesen nur an sehr speziellen Umständen entstehen und leben können, dann sehen sie immer etwas sehr Spezielles. Es bringt dann nichts, darüber zu grübeln, weshalb unsere Umgebung sehr speziell ist.

Starkes anthropische Prinzip
Das starke anthropische Prinzip sieht das Bewusstsein als Ziel des Universums. Ein Universum ohne bewusst denkende Beobachter ist nicht denkbar. Deshalb muss das Universum und die Naturgesetze gezielt so gemacht sein, dass es die Entstehung von Beobachtern in ihm in manchen Phasen erlaubt.

Kritik
Das starke anthropische Prinzip verstösst meiner Ansicht nach gegen das Ökonomieprinzip. Ein bewusst formuliertes Ziel ist immer komplizierter als eine ungesteuerte Entwicklung. Ich gehe aber auf diese Version nicht weiter ein.

Aus Sicht der schwachen Version ist der Begriff “anthropisches Prinzip” denkbar unpassend. Denn erstens klingt er anthropozentrisch und suggeriert, dass die Naturgesetze sich irgendwie nach dem Menschen richten sollen, was nur in der starken Version der Fall ist. Und zweitens handelt es sich nicht um ein in den Naturgesetzen vorgegebenes Prinzip, vergleichbar mit dem Äquivalenzprinzip von Einstein oder das Paulische Ausschliessungsprinzip, sondern um eine Regel, wie Beobachtungen interpretiert werden sollen. Ich nenne das schwache anthropische Prinzip deshalb lieber die Beobachter-Regel. Denn das ist es. Die Beobachter-Regel zeigt einen Weg aus der anthropozentrischen Sicht, indem sie uns vor den Fehlschlüssen warnt, die dadurch entstehen, dass wir als bewusst denkende Beobachter notgedrungen immer von unseren Wahrnehmungen abhängig sind und so nie ein objektives Bild der Welt haben können.

Die Beobachter-Regel, also das schwache anthropische Prinzip, wurde kritisiert, weil sie trivial sei. Viele Leute denken, aus einem trivialen Satz können keine tiefgründigen Schlussfolgerungen gezogen werden. Ich versuche anhand einiger Beispiele zu zeigen, dass mit Hilfe der Beobachter-Regel durchaus überraschende Schlüsse gezogen werden können.



2. Der Trugschluss vom überfüllten Zug


Wie der Artikel Induktion zeigt, hat man im allgemeinen gute Aussicht auf Erfolg, wenn man annimmt, dass das, was man in der Vergangenheit mehrheitlich beobachtete, dem entspricht, was in der Welt ganz allgemein am häufigsten vorkommt. Es gibt aber einen bemerkenswerten Fall, bei dem diese Regel versagt. Dieser Fall ist umso interessanter, als wir ihn täglich antreffen, zum Beispiel im Zug.

Viele Zugpassagiere sind überzeugt, dass Züge mehrheitlich überlastet sind. Sie können dies auch belegen, denn sie fahren ja selber häufig Zug, und sie sehen, dass diese Züge öfters voll sind als leer. Der Pressesprecher der Schweizerischen Bundebahnen (SBB) hingegen beharrt darauf, es gebe weit mehr fast leere Züge, als überfüllte. Wie kommt dieser Widerspruch zustande?

Ganz einfach: Wenn ein Zug überfüllt ist, so sehen einige Hundert Menschen einen überfüllten Zug. Wenn ein Zug fast leer ist, so merken das nur ganz wenige Passagiere und der Kontrolleur, der es dem Pressesprecher erzählt.

Mit anderen Worten: Wenn ich fast nur überfüllte Züge sehe, so bedeutet das nicht, dass es fast nur überfüllte Züge gibt. Sondern es bedeutet nur, dass -vermutlich- überfüllte Züge viel häufiger gesehen werden als fast leere. Dies hat auch überhaupt nichts mit den Stosszeiten zu tun. Auch wenn die SBB die Stosszeiten optimal mit Entlastungszügen überbrückt, so dass es nur noch ganz wenige überfüllte Züge gibt, so werden immer noch mehr Passagiere in überfüllten Zügen sitzen als in leeren (sonst wären die Züge ja nicht überfüllt).

Machen wir ein Beispiel mit Zahlen: Ich betrachte zwei Züge und fünf Personen, die sich rein zufällig auf diese Züge verteilen. Ich nenne einen Zug fast leer, wenn null oder ein Passagier drin sitzen und fast voll, wenn vier oder fünf Passagiere im Zug sind (Es sind sehr kleine Züge).

Die ersten fünf Spalten geben an, in welchem der Züge (A oder B) die fünf Personen P1 bis P5 sitzen. Da sich die Personen rein zufällig verteilen, sind alle Zeilen gleich wahrscheinlich. Obwohl es genau gleich viele überfüllte wie fast leere Züge gibt, sitzen die Passagiere viel häufiger in überfüllten Zügen:



P1

P2

P3

P4

P5

Anzahl Personen in einem überfüllten Zug

Anzahl Personen in einem fast leeren Zug

Anzahl überfüllte Züge

Anzahl fast leere Züge

A

A

A

A

A

5

0

1

1

B

B

B

B

B

5

0

1

1

A

A

A

A

B

4

1

1

1

A

A

A

B

A

4

1

1

1

A

A

B

A

A

4

1

1

1

A

B

A

A

A

4

1

1

1

B

A

A

A

A

4

1

1

1

B

B

B

B

A

4

1

1

1

B

B

B

A

B

4

1

1

1

B

B

A

B

B

4

1

1

1

B

A

B

B

B

4

1

1

1

A

B

B

B

B

4

1

1

1



Total:

50

10

12

12




Dazu kommen noch 10 Möglichkeiten, in denen 3 Passagiere in A sitzen und 2 in B, und weitere 10 Möglichkeiten mit 2 Passagieren in A und 3 in B; insgesamt also 20 zusätzliche Möglichkeiten, bei denen die Züge aber weder fast leer noch überfüllt sind.

Man sieht sehr rasch, dass immer, wenn der eine Zug überfüllt ist, der andere fast oder ganz leer ist. Der SBB-Sprecher wird deshalb zu recht sagen, es seien ebenso viele Züge fast oder ganz leer, wie überfüllt sind. Dennoch sind die Passagiere zusammen 50 mal in einem überfüllten Zug gefahren, aber nur 10 mal in einem fast leeren. Kein einziger fuhr in einem ganz leeren Zug (hätte mich auch überrascht).

Das bedeutet: Selbst wenn sich die Passagiere völlig zufällig auf die Züge verteilen, wenn es also keine Stosszeiten gibt, und selbst wenn es genau gleich viele fast leere wie überfüllte Züge gibt, ist die Wahrscheinlichkeit, in einem überfüllten Zug zu sitzen, viel grösser als die Wahrscheinlichkeit, einen fast leeren Zug zu erwischen.

Dies ist genau die Aussage der Beobachter-Regel. Was am häufigsten beobachtet wird, ist nicht notwendigerweise das, was auch am häufigsten vorkommt.


3. Feinabstimmung

In den vergangenen Jahrhunderten wandelte sich unser Bild vom Menschen. Einst Krone der Schöpfung im Zentrum der Welt, sehen wir uns heute als belangloses Grüppchen von Winzlingen am Rande einer riesigen Galaxie, die selber nur eine von vielen anderen Galaxien ist. Die Erde ist nur einer von abertausenden ähnlichen Planeten, auf denen ebensogut hätte Leben entstehen können. Dies passt bestens ins Konzept der Induktionsprinzip. Was wir beobachten, ist kein Sonderfall, ist nicht das Zentrum der Welt. Wir können damit rechnen, dass die Welt an ziemlich vielen anderen Orten ähnlich aussieht. Man nannte diese Ansicht das ‘kosmologische Prinzip’.

In jüngerer Zeit wurde aber mehr und mehr klar, dass das, was wir beobachten, extrem speziell ist. Wenn sich ein Wissenschaftler überlegt, wie ein Universum sonst noch hätte aussehen können, dann sieht er, dass unser Universum unter allen denkbaren Universen ein unglaublicher Sonderfall ist. Die allermeisten der denkbaren Universen wären weit davon entfernt, die Entstehung von komplizierteren Strukturen oder gar von Leben zuzulassen. Allein in unserem Universum gibt es wie durch ein Wunder die perfekte Feinabstimmung der Naturgesetze, die Leben erst ermöglicht. Weil aber Wissenschaftler weder den Zufall noch Wunder speziell lieben, suchen sie nach einer besseren Erklärung für das unglaubliche Zusammentreffen.

Einige Zahlen mögen das ‘Wunder’ der Feinabstimmung illustrieren. Es ist hier nicht so wichtig, die Details der Zahlen zu verstehen. Wesentlich ist, einen Eindruck zu bekommen, wie ungeheuer präzis gewisse Naturkonstanten aufeinander abgestimmt sein müssen, damit komplizierte Strukturen oder sogar höhere Lebewesen entstehen können.

Wäre zum Beispiel das Verhältnis der elektromagnetischen Wechselwirkung zur Kernkraft nur um einen Faktor zehn grösser oder kleiner, so wäre eine Verbindung der Atome zu stabilen Molekülen unmöglich. Bereits bei einer Veränderung dieses Verhältnisses um Faktor drei könnte es kein flüssiges Wasser geben. Wäre eine Sekunde nach dem Urknall die Expansionsgeschwindigkeit unseres Universums nur um ein Hunderttausendmillionstel Millionstel (also um Faktor 10-17) kleiner gewesen, so wäre das Universum wieder in sich zusammengefallen, bevor es seine gegenwärtige Grösse erreicht hätte. Eine minimale Abweichung von den tatsächlichen Naturgesetzen hätte bereits ausgereicht, um die Entstehung von Leben zu verhindern.

Hätte das Universum nur zwei Raumdimensionen, wäre es also eine Ebene statt ein dreidimensionaler Raum, so hätten sich wohl ebenfalls kaum je Lebewesen entwickelt. Man stelle sich nur zum Beispiel ein Schwein in einem zweidimensionalen Universum vor: Hätte dieses Schwein einen Mund, einen Magen und einen Hintern, so würde es glatt in zwei Teile zerfallen! (vgl. Abb. 1.) Schwer vorstellbar wäre auch der Blutkreislauf dieses Tieres.


Abbildung 1
Ein zweidimensionales Schwein würde in zwei Teile zerfallen.







In einem Universum mit vier oder mehr Raumdimensionen träte ein anderes Problem auf: Bei vier Raumdimensionen würden die Gravitations- und die elektromagnetischen Kräfte vermutlich nicht mehr mit dem Abstand im Quadrat (r2), sondern mit dem Abstand im Kubik (r3) abnehmen, was Planetensysteme und Atome sehr instabil machen würde. Dies sollte uns nachdenklich stimmen, denn bis heute ist nicht klar, weshalb ein Universum gerade drei Raumdimensionen (und eine Zeit) hat. Viele Physiker nehmen an, auch unser Universum habe mehr Dimensionen, wobei aber zufällig alle diese Dimensionen bis auf die drei Raumdimensionen und eine Zeit derart gekrümmt sind, dass wir sie nicht wahrnehmen. Weshalb sind nicht mehr Dimensionen gekrümmt? Oder weshalb sind nicht mehr flach?

Wenn schon unser Universum eine bemerkenswerte Sonderstellung unter den denkbaren Universen einnimmt, so ist unsere Erde über diese Sonderbarkeit hinaus auch noch innerhalb dieses Universums etwas Spezielles. Nur an wenigen Stellen des Universums ist die feine Abstimmung der Natur auf geeignete Lebensbedingungen so ausgeprägt wie auf der Erde. Auf einem Stern oder gar im luftleeren Weltraum wäre Leben ohnehin kaum denkbar. Doch auch unter den Planeten bildet die Erde einen bemerkenswerten Sonderfall. Wäre der Erdbahnradius nur ein wenig kleiner, wäre die Erde also näher bei der Sonne, so wäre das Klima vermutlich bereits zu heiss, und die Hitze der Sonne würde die Entwicklung höherer Lebensformen verunmöglichen. Kreiste die Erde mit einer wesentlich grösseren Entfernung um die Sonne, so wären die Weltmeere gefroren, was bestimmt nicht besonders lebensfreundlich wäre. Gäbe es auf der Erde nicht derart viel Wasser, derart viel von dem so teuren und seltenen Stoff, so wäre hier ebenfalls kaum Leben entstanden.

Wie kommt es, dass sich unsere Welt gleichsam seit dem Urknall darauf vorbereitet, uns heute geeignete Lebensbedingungen zu bieten? Ist ein derartiger Sonderfall in einer wissenschaftlichen Theorie noch haltbar?

Viele sehen hier vielleicht den Plan eines Schöpfers. Es leuchtet sogleich ein, dass ein Schöpfer nicht eine besonders öde und langweilige Welt schafft, sondern eine Welt, in der komplizierte chemische Verbindungen vorkommen und damit Leben und vielleicht sogar Intelligenz möglich sind. Nach dieser Vorstellung wäre der Mensch ein wesentlicher Teil des Schöpfungsplanes und in diesem Sinne gewissermassen im Mittelpunkt des Universums, wenn er auch diese Ehre vielleicht mit ausserirdischen intelligenten Lebewesen teilen muss.

Nur wenige Wissenschaftler werden dieser Vorstellung zustimmen. Ein hochintelligenter allmächtiger Schöpfer ist ungeheuer kompliziert und nach dem Ökonomieprinzip sollten wir von möglichst einfachen Grundannahmen ausgehen. Viele Physiker suchen nach einem Grund, weshalb sich das Universum ausgerechnet so entwickelte, wie wir es heute beobachten. Viele Kosmologen glauben, es müsse irgendwelche Gesetze geben, nach denen alle möglichen Universen sich ähnlich wie das unsere entwickeln müssen. Nach dieser Annahme nimmt unser Universum keine Sonderstellung ein: Es konnte nur diese Art von Universum entstehen. Nach dieser Vorstellung hatte ‘Gott’ gar keine andere Wahl, als ein Universum zu schaffen, das dem unseren ähnlich sieht. Das ist für das Ökonomieprinzip entscheidend: Je weniger Möglichkeiten Gott hatte, desto einfacher ist er. Wie die gesuchten Grundgesetze aussehen, ist freilich nicht klar.

Aber muss es überhaupt solche Grundgesetze geben? Am Beispiel der überfüllten Züge habe ich gezeigt, dass das, was wir beobachten, unter Umständen etwas sehr Seltenes ist. Dies könnte auch für unsere Position im Universum zutreffen.

Vielleicht gibt es grosse Teile im Universum, die kein Leben zulassen. Vielleicht leben wir in einer winzigen Oase in einer riesigen, absolut lebensfeindlichen Wüste. Wenn wir in den Weltraum blicken, sehen wir sogar, dass es so ist. Aber wir brauchen uns nicht zu wundern, dass wir in der Oase leben und nicht in der Wüste, selbst wenn die Wüste unendlich viel grösser ist als alle Oasen zusammen. Es ist wie bei den oben diskutierten Zügen: Wir sitzen nie in einem leeren Zug, auch wenn es noch so viele davon gibt.

Dies ist natürlich wieder die Beobachterregel. Es besteht kein Anlass, nach einem Grund für die Feinabstimmung unseres Universums zu suchen. Angenommen, es es gibt unzählige völlig unterschiedliche Regionen in unserem Universum, in denen jeweils eigene Naturgesetze gelten. Die meisten dieser Regionen wären sehr lebensfeindlich und würden keine intelligenten Beobachter hervorbringen. Vielleicht gäbe es nur ganz wenige Gebiete, in denen Lebewesen entstehen können. Aber selbst wenn es so wäre, müssten wir uns unweigerlich genau in diesen seltenen Gebieten finden, die Leben ermöglichen.

Ebenso wie es falsch ist, zu glauben, alle Züge seien immer überfüllt, ist es falsch zu denken, jeder Teil des Universums beherrberge ähnlich viele intelligente Beobachter wie der unsere. Es ist also vielleicht hoffnungslos, nach Grundgesetzen zu suchen, die dafür sorgen, dass sich jeder Teil des Universums so entwickelt, wie wir es beobachten. Denn vielleicht gibt es diese Gesetze gar nicht. Wir müssen nur zeigen, wie ein Universum mit sehr vielen verschiedenen Gebieten entstehen kann, wovon einige wenige sich ähnlich entwickeln wie unsere Umgebung.

Die Fähigkeit, bewusst beobachten zu können, spielt zwar -wie bereits erläutert- in der Beobachter-Regel eine wichtige Rolle. Dies bedeutet aber nicht, dass Bewusstsein in der Welt irgendwie von Bedeutung ist. Die Beobachter-Regel ist kein Naturgesetz, sondern eine Richtlinie für schlussfolgernde Beobachter.

Das Weltall – auf den Menschen abgestimmt

http://74.125.47.132/search?q=cache:UVdnm5hUgYsJ:www.iguw.de/text.php%3Ftext%3D33%26typ%3Ddoc+folgen+der+abweichung+gravitations+konstante+feinabstimmung+universum&cd=6&hl=pt-BR&ct=clnk&gl=br

Peter Rüst, CH-3148 Lanzenhäusern e-mail: pruest@dplanet.ch

VBG-Fachaufsatz 1/00 (VBG-Büro, Postfach, CH-8033 Zürich; e-mail: vbgbuero@bluewin.ch)

Inhalt



0. Einleitung 1

0.1 Das anthropische kosmologische Prinzip

Das „anthropische kosmologische Prinzip“ sagt, der Kosmos sei auf den Menschen (griechisch: anthropos) zugeschnitten!2 Diese überraschende Aussage stammt nicht etwa von Theisten. Was ist damit gemeint? Wie kann das Weltall auf den Menschen zugeschnitten sein? Der Mensch hatte sicher keinen Einfluss auf dessen Entstehung und Entwicklung!

Es gibt triftige Gründe anzunehmen, dass die Umwelt, die wir auf der Erde vorfinden, ein unerhört unwahrscheinlicher Treffer war. Entstehung und Entwicklung des Weltalls sind geprägt von einer grossen Menge an unwahrscheinlichen Umständen, die aber unbedingt eintreffen mussten, wenn es überhaupt menschliches Leben geben sollte.

Wie ist dies zu erklären? Wie konnte es dazu kommen? Ist es physikalische Notwendigkeit? Oder Zufall? Oder war es nicht möglich ohne göttliche Planung?

Analoge Überlegungen treffen auf die Entstehung und Entwicklung der Erde und des Lebens zu. Doch lässt es der Umfang dieser Dokumentation nicht zu, detailliert auf die Bereiche der Geologie und der Biologie einzugehen. Die beispielhafte Erwähnung einiger Punkte muss hier genügen, während das Hauptgewicht auf der Kosmologie liegt.

Das Aufzeigen dieser anthropischen Situation erfordert es stellenweise, auf wissenschaftliche Zusammenhänge und Ideen einzugehen, die nicht zu unserem Alltags-Gedankengut gehören. Ich versuche aber, sie verständlich darzustellen. Ein solcher Abschnitt kann aber auch übersprungen werden, ohne dass der Gesamtzusammenhang verloren geht.

Das Wesentliche dieser Dokumentation soll es sein, etwas von den Wundern des Weltalls, in dem wir uns befinden, zu vermitteln und zum Staunen darüber anzuregen. Es soll klar werden, dass der Schöpfer, auf den die wissenschaftliche Untersuchung des Universums hinweist, nicht von dem in der Bibel offenbarten persönlichen Schöpfergott unterschieden werden kann.

0.2 Wie ist alles entstanden?

Zum Einstieg möge ein kurzer Abschnitt aus einem modernen Astrophysikbuch3 einen Überblick über die Entstehung und Entwicklung von Weltall, Erde und Leben vermitteln:

In unserer Astrophysikvorlesung fragte einmal ein Student: „Weshalb sind wir hier?“ Die Antwort war für uns [Dozenten] ebenso staunenswert wie für die Zuhörerschaft.

Wir sind hier, weil vor über zehn Milliarden Jahren das Universum vom Vakuum Energie borgte, um riesige Mengen an Materie und Antimaterie in nahezu gleichen Mengen zu erschaffen. Das meiste davon annihilierte und füllte das Universum mit Photonen. Weniger als ein Milliardstel überlebte und bildete Protonen und Neutronen, und daraus den Wasserstoff und das Helium, welche den Grossteil von all dem ausmachen, was es gibt.

Einiges von diesem Wasserstoff und Helium stürzte zusammen und bildete die erste Generation massiver Sterne, welche im Feuer ihrer Kerne die erste Charge an schweren Elementen erzeugten. Die Sterne explodierten und reicherten mit diesen Elementen die interstellaren Wolken an, welche dann die nächste Generation von Sternen produzierten.

Schliesslich, etwa vor fünf Milliarden Jahren, kollabierte eine bestimmte Wolke in einer bestimmten Galaxie und bildete unsere Sonne und ihr Planetensystem.

Auf dem dritten Planeten entstand Leben auf der Basis des Wasserstoffs, Kohlenstoffs, Stickstoffs, Sauerstoffs und anderer Elemente, die sich in der protostellaren Wolke vorfanden. Die Entwicklung des Lebens hatte die Verwandlung der Erdatmosphäre zur Folge, was es dem Leben erlaubte, an Land zu gehen.

Vor fünfundsechzig Millionen Jahren beschleunigte ein glücklicher Zusammenstoss mit einem grossen Meteoroiden das Ableben der Dinosaurier. Dies ermöglichte es kleinen, behaarten Säugetieren, den Hauptschauplatz einzunehmen.

Frühmenschen entwickelten sich, wanderten aus Afrika aus und eroberten mit ihren neuen Kenntnissen, Werkzeugen, Sprache und Landwirtschaft die Welt.

Die Nahrungsmittel, welche sie auf dem Land anpflanzten, verzehrten Ihre Ahnen, Ihre Eltern, und dann Sie, und atmeten die Luft. Ihr eigener Körper ist eine Ansammlung von Atomen, die vor Milliarden von Jahren im Innern von Sternen geschaffen wurden, der Bruchteil eines Bruchteils eines Prozentes an normaler Materie, der in der ersten Mikrosekunde des Universums der Annihilierung entging.

Ihr Leben und alles in der Welt um Sie herum ist innig verbunden mit zahllosen Aspekten der modernen Astrophysik.

0.3 Was enthält unser Weltall?

Warum ist der Himmel nachts dunkel? Anfangs des 20. Jahrhunderts dachte man sich das Universum unendlich gross und unendlich alt. Wenn dies der Fall wäre, müsste aber der ganze Himmel etwa so hell strahlen wie die Sonnenoberfläche, und wir wären längst verbrannt. In einem unendlich grossen Weltall müsste man ja in jeder Richtung irgendeinen Stern sehen. Und auch das Licht extrem ferner Sterne müsste in einem unendlich alten Weltall bis zu uns gelangt sein. Dunkelwolken könnten Sternenlicht auch nicht abschirmen, denn sie wären durch Bestrahlung längst auf die gleiche Helligkeit aufgeheizt worden. Das Alter oder die Grösse des Universums – oder beides – muss also endlich sein.

In einigen Schritten soll nun die Struktur unseres Weltalls in zunehmenden Grössenbereichen kurz beschrieben werden.

Die Milchstrasse, die Galaxie, in der wir uns befinden, gleicht einem Diskus von etwa 100'000 Lichtjahren4 Durchmesser und besteht aus ungefähr 100 Milliarden Sternen. Ein Blick gegen ihr Zentrum, ca. 25'000 Lichtjahre vom Sonnensystem entfernt, zeigt neben dichten Sternansammlungen auch Dunkelwolken.

Der Diskus unserer Milchstrasse ist umschlossen von einem kugelförmigen Hof, dem „Halo“. Er enthält Kugelsternhaufen, die Hunderttausende von Sternen umfassen. Sie sind fast so alt wie das Universum, daher in einem dynamischen Gleichgewicht und im Grossen sehr nahe der Kugelsymmetrie.

Wie unsere Milchstrasse von aussen etwa aussähe, erkennt man an Spiralgalaxien, die Millionen von Lichtjahren entfernt sind. Die von einem dichten Zentrumswulst ausgehenden Spiralarme sind von jungen, blau leuchtenden Sternen dominiert, was aktive Sternbildung anzeigt.

Das auf einer Erdumlaufbahn befindliche Hubble-Weltraumteleskop (Hubble Space Telescope) erfasste im Projekt „Hubble Deep Field“ eine sehr weit entfernte Region des Universums. Die Bilder dieses Projekts zeigen neben einigen wenigen Vordergrundsternen unserer Galaxie etwa 3000 Galaxien verschiedenster Formen, die wegen der riesigen Entfernungen für uns bis über eine Milliarde Mal schwächer leuchten als die von blossem Auge gerade noch erkennbaren Sterne.

Kürzlich wurde ein Computerbild veröffentlicht,5 das die Ergebnisse einer Erfassung von Objekten der 17. bis 20,5. Helligkeitsklasse6 im blauen Spektralbereich über eine Region von 4'300 Quadratgrad um den galaktischen Südpol zeigt. Dies entspricht ungefähr einem Zehntel der Himmelskugel. Das Bild umfasst etwa 2 Millionen Galaxien dieses Helligkeitsbereichs. Im Grossen ergibt sich eine erstaunlich gleichmässige Verteilung der Galaxien. Man schätzt die Anzahl aller Galaxien, die im grundsätzlich sichtbaren Teil des Weltalls enthalten sind, auf etwa hundert Milliarden.


Im grossen Massstab entfernen sich alle Galaxien voneinander mit Geschwindigkeiten, die ungefähr ihren Abständen proportional sind. Gemessen wird die Fluchtgeschwindigkeit durch die Rotverschiebung ihres Lichts.7 Abb. 1 zeigt die von Hubble erstmals gemessene Galaxienflucht, publiziert 1929.8 Diese Entdeckung sowie Einsteins Relativitätstheorie führten zur Erkenntnis, dass das Universum sich ausdehnt. Man kann diese Expansion zurückextrapolieren und daraus schliessen, dass sie einmal angefangen hat, als alles sehr nahe zusammen war. Es gab also einen Urknall oder „Big Bang“.

Es soll nun die Entstehung
(1) des Universums,
(2) der Elemente,
(3) der Erde, und
(4) des Lebens
beschrieben und gezeigt werden, in welch erstaunlicher Weise eine grosse Menge extrem unwahrscheinlicher Vorgänge dazu beitrugen, dass menschliches Leben ermöglicht wurde.

1. Entstehung eines Universums für menschliches Leben


1.1 Die Expansion des Universums

Berechnungen ergeben einen Urknall vor 10-15 Milliarden Jahren. Der Skalenfaktor misst die lineare Grösse des Universums, definiert als 1 für die Gegenwart.

Die Gravitation (Anziehungskraft zwischen den Galaxien) verzögert die Ausdehnungsgeschwindigkeit, und zwar umso stärker, je höher die mittlere Dichte des Universums ist. Abb. 2 zeigt den Skalenfaktor des Universums für zwei verschiedene mittlere Dichten. 9 Die Bremswirkung der Gravitation ist aus den Kurven ersichtlich. Wenn die Dichte eine kritische Dichte übersteigen würde, fiele das Weltall eines Tages wieder in sich zusammen; es wäre geschlossen. Sonst dehnt es sich unbegrenzt aus. Wenn die Dichte genau kritisch wäre, ergäbe die Expansion eine Parabel, und das Weltall wäre etwa 10 Milliarden Jahre alt. Man hat aber erst Masse für etwa 20-30 % der kritischen Dichte gefunden;10 dies gibt eine Hyperbel. Zudem sind manche Kugelsternhaufen wesentlich älter als 10 Milliarden Jahre.11 Das Universum ist also offen, mit einer Dichte, die kleiner ist als die kritische. Mit einem Viertel der kritischen Dichte ergäbe sich für das Universum ein Alter von 13,6 Milliarden Jahren, was ungefähr zu den neuesten Schätzungen der Expansionsgeschwindigkeit passt (der neueste Wert ist 14,5 Milliarden Jahre, vergleiche Abschnitt 1.6).

1.2 Kausale Trennung

Die Abb. 3 zeigt die Entwicklung des Universums in den vergangenen 10 Milliarden Jahren.12 Sie setzt ein flaches Universum voraus, also eines mit kritischer Dichte. Eine geringere Dichte ergäbe hier aber keine wesentlich anderen Zusammenhänge.


Man kann ausrechnen, wie weit von uns entfernt die Galaxien waren, als sie ihr Licht aussandten, das wir heute sehen, und wann sie es aussandten. Die Fluchtgeschwindigkeit der fernsten sichtbaren Galaxien nähert sich der Lichtgeschwindigkeit. Noch weiter entfernte Galaxien könnten wir daher grundsätzlich nicht sehen, weil ihr Licht uns nicht erreichen konnte. Wegen der Expansion des Universums waren uns Galaxien, die ihr Licht z.B. vor 9 Milliarden Jahren aussandten, damals näher als Galaxien, die ihr Licht vor 7 Milliarden Jahren aussandten, es zu ihrer Zeit waren.

Die Entfernung (in Milliarden Lichtjahren) der Galaxien, die ihr Licht vor mehr als 6 Milliarden Jahren aussandten, ist aber grösser als das damalige Alter des Universums in Milliarden Jahren. Jene Galaxien konnten also seit dem Urknall bis vor 6 Milliarden Jahren keinerlei kausalen Kontakt mit unserer Galaxie haben, denn keine Wirkung kann sich schneller ausbreiten als das Licht. Dies führt zu einem Problem, da das Universum im grössten Massstab extrem homogen ist, mit Schwankungen von nur etwa einem Hunderttausendstel. Wie konnten Gebiete, die kausal getrennt waren, sich so genau aufeinander abstimmen?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die frühesten Zeiten nach dem Urknall etwas genauer betrachten. Wir können aber nur bis zu 5 x 10-44 s nach dem Urknall zurückgehen. Vor jener Zeit, der Planck-Zeit, versagen die heutigen Kenntnisse der Physik, da es bisher noch nicht gelungen ist, die Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu verbinden.13 Aber macht es überhaupt Sinn, von Sekundenbruchteilen zu sprechen, die vor über 10 Milliarden Jahren passiert sind? Die Theorie des Urknalls, die dies beschreibt, hat zu Voraussagen geführt, die durch spätere Beobachtungen sehr präzis bestätigt wurden. Dies verleiht ihr eine sehr grosse Glaubwürdigkeit.

1.3 Der Urknall

Tab. 1. Entwicklung des Universums

Zeit nach Urknall Temperatur Dichte* Dimension** Objekte und Vorgänge
5x10-44 s 1032 K 0,004 mm Planck-Zeit
10-32 s 1027 K 2 m Inflation ?
10-11 s 1016 K 50 Mio km alle Kräfte getrennt
Beginn Leptonen-Ära 0,01 s 100 Mia K 4000 t/cm3 0,2 Lichtj. e- @ e+ @ n @ n¬ @ g >> p = n
(~ 5 n+p pro 1010 g) ***
Beginn Strahlen-Ära 1 s 10 Mia K 400 kg/cm3 2 Lichtj. 3 p/n; e- + e+ ® 2 g (Annihilation, Feuerball)
200 s 1 Mia K 40 g/cm3 25 Lichtj. 6 p/n; keine e+ mehr; 2p + 2n ® He4
30 min 300 Mio K 0,1 g/cm3 80 Lichtj. 12 H/He (24 % He), nur Kerne; e-, g
Beginn Materie-Ära 300'000 J. 10'000 K 10-20 g/cm3 6 Mio Lichtj. Atomkerne + e- ® Atome:
„Entkopplung“ zwischen e- und g:
Universum wird durchsichtig
1 Mia J. 50 K 400 H/m3 1 Mia Lichtj. Galaxien- und Sternenbildung
13,5 Mia J. 2,73 K » 0,2 H/m3 10 Mia Lichtj. heute
*) ab 1 Mia J. in H-Atomen/m3 (Mio = Millionen, Mia = Milliarden, Lichtj. = Lichtjahr = 9,5x1012 km)
**) entsprechend der weitesten heutigen Sichtdistanz ***) e- Elektron, e+ Positron, n Neutrino, n¬ Antineutrino, g Photon (Lichtquant), p Proton, n Neutron

Die Tab. 1 zeigt das Standardmodell der Ereignisse seit dem Urknall, mit der mittleren Temperatur des Universums, seiner mittleren Dichte, sowie einer linearen Grösse, die heute etwa der Distanz zu den entferntesten sichtbaren Galaxien entspricht. Zur Planck-Zeit waren das nur einige mm, während die Temperatur 1032 K betrug.14 Die Inflation und die Trennung der Kräfte wird später behandelt.

Nach 0,01 s, als die Temperatur nur noch 100 Milliarden K betrug, gab es nur ein Plasma von Elektronen, Neutrinos und ihren Antiteilchen, Photonen und sehr viel weniger Protonen und Neutronen,15 das Ganze bei einer Dichte von 4000 t/cm3. Die Leptonen-Ära begann.

Nach 1 s annihilierten Elektronen und Positronen und erzeugten einen riesigen Feuerball. Die Strahlen-Ära begann.

Nach 3 Minuten, bei 1 Milliarde K, gab es keine Antimaterie mehr, und Protonen und Neutronen begannen zu Heliumkernen zu verschmelzen (Kernfusion). Dies dauerte etwa eine halbe Stunde. Dann, bei 300 Millionen K, hörte die Kernfusion auf. Etwa 24 % der Baryonenmasse bestand nun aus Heliumkernen, der Rest aus Wasserstoffkernen (Protonen).


Nach 300'000 Jahren war die Temperatur auf 10'000 K gesunken, und aus den Atomkernen und Elektronen konnten sich ganze Atome bilden. Bisher waren die Photonen noch ständig mit den Elektronen zusammengestossen. Die Elektronen wurden durch Bindung in den Atomen von den Photonen entkoppelt. Man nennt dieses Stadium in der Entwicklung des Universums daher „Entkopplung“. Nun konnte sich das Licht frei im Raum ausbreiten, das Universum wurde durchsichtig, und die Materie-Ära begann.

Die doppeltlogarithmische Darstellung in Abb. 4 zeigt die Dichte, die Temperatur und den Skalenfaktor des Universums von 3 ms (10-10 Jahre) bis 1010 Jahre nach dem Urknall. Mit der Ausdehnung des Universums sinken die Dichte und die Temperatur. Der Knick in den Kurven für den Skalenfaktor und die Temperatur entspricht der Entkopplung von Photonen und Elektronen.

1.4 Trennung der Kräfte


Abb. 5 zeigt die Trennung der Kräfte.16 Hier ist die Zeitachse vertikal, von der Planckzeit bis heute. Zu kritischen Zeiten ist nochmals die mittlere Temperatur des Weltalls angegeben. Es gibt vier fundamentale physikalische Kräfte, deren sehr unterschiedliche Stärke horizontal aufgetragen ist. Beide Massstäbe sind logarithmisch.

Die starke Kernkraft hält die Teilchen im Atomkern zusammen, wirkt aber nicht darüber hinaus. Die elektromagnetische Kraft ist 100 Mal schwächer. Nochmals 1 Milliarde Mal schwächer ist die schwache Kraft, welche das Verhalten der Elektronen und damit die Chemie bestimmt. Nochmals 1028 Mal schwächer ist die Gravitationskraft, die nur bei grossen Massen spürbar wird, aber auch auf sehr grosse Distanzen.

Die Entstehung der elektromagnetischen und der schwachen aus der elektroschwachen Kraft 10-11 s nach dem Urknall ist bewiesen, da vorausgesagte Teilchen nachgewiesen wurden. Die Abspaltung dieser elektroschwachen von der starken Kraft 10-32 s nach dem Urknall ist noch spekulativ, aber sie würde mit der Inflation, deren Erklärung noch folgt, einige Rätsel lösen. Die Abspaltung der Gravitationskraft von dieser aus starker und elektroschwacher Kraft kombinierten Kraft zur Planck-Zeit kann man erst untersuchen, wenn man die Beziehung zwischen der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik versteht.

Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung17 stellt eine der markantesten Erfolgsgeschichten der kosmologischen Forschung dar. Für diese beim Durchsichtigwerden des Universums (bei der Entkopplung zwischen Elektronen und Photonen) frei gewordene Strahlung wurden 1948 vier spezifische Voraussagen gemacht:
(1) diese Strahlung sollte heute messbar sein;
(2) sie sei extrem homogen und isotrop, d.h. von allen Seiten her kommend gleich;
(3) ihr Spektrum sei das einer Schwarzkörperstrahlung;
(4) ihre Frequenz entspreche heute einer Temperatur von wenigen K.

Diese Hintergrundstrahlung wurde 1965 von Forschern entdeckt, die etwas ganz anderes suchten. Ihre Temperatur beträgt 2,73 K, und ihr in Abb. 6 gezeigtes Spektrum stellt vielleicht die schönste Kurve in der Kosmologie dar. Die theoretische Kurve (ausgezogene Linie) ist das am besten an die Messpunkte (Quadrate) angepasste Schwarzkörperspektrum. Die Abweichungen sind offensichtlich minim.

Abb. 6. Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
(horizontal: Frequenz, cm-1; vertikal: Helligkeit, 10-4 erg / cm2 sr s cm-1)
Trotz der hohen Homogenität mussten aber einmal Dichteschwankungen auftreten, so dass sich später in den dichteren Bereichen die Materie durch die Gravitation zu protogalaktischen Wolken zusammenziehen konnte, aus welchen sich später Galaxien und schliesslich Sterne bilden konnten. Die Homogenität durfte nicht absolut sein. Dies ergab eine weitere Voraussage:
(5) die Strahlung sollte sehr geringe Inhomogenitäten enthalten.
Solche Inhomogenitäten in der Grösse von 10-5 wurden dann 1992 tatsächlich gemessen.

Aber wie konnte eine derart hohe Homogenität über das ganze Universum zu einer Zeit entstehen, als seine verschiedenen Bereiche noch nicht kausal miteinander gekoppelt waren? Das Modell der Inflation scheint gegenwärtig die einzige Möglichkeit einer wissenschaftlichen „Erklärung“ zu sein. Allerdings beinhaltet sie äusserst unkonventionelle Aspekte.

1.5 Inflation

In Abb. 7 sind nochmals die Temperatur- und Skalenfaktorkurven von der Planck-Zeit bis heute doppelt logarithmisch aufgetragen.

Abb. 7. Entwicklung im Standardmodell Abb. 8. Entwicklung im Inflationsmodell


In Abb. 8 sind Temperatur- und Skalenfaktorentwicklung im Inflationsmodell18 mit den genau gleichen Skalen gezeigt wie im Standardmodell in Abb. 7.19 Das Inflationsmodell setzt bei der Trennung der elektroschwachen Kraft von der starken Kernkraft ein, die um 10-34 s nach dem Urknall, bei 1027 K, geschah. Das Modell postuliert nun, dies habe einem Phasenübergang entsprochen, wie beim Gefrieren einer Flüssigkeit. Dabei sei zunächst eine Unterkühlung aufgetreten bis 10-33 s, bevor die Kräfte sich explosionsartig trennten und die freiwerdende Energie die lineare Grösse des Universums um über 43 Zehnerpotenzen aufblähte. Diese Inflation dauerte nur 10-32 s.

Ein Grössenvergleich soll die Immensität dieser Inflation verdeutlichen, so weit dies überhaupt möglich ist. Die Distanz des Ursache-Wirkungskontakts, also die Distanz, welche das Licht seit dem Urknall, 10-34 s früher, zurücklegen konnte, war vor der Inflation nur ein Hundertmilliardstel des Protonendurchmessers. Eine solche Distanz erstreckte sich aber nach der Inflation, also nur 10-32 s später, über 100 Lichtjahre. Damit war der Ursache-Wirkungskontakt zwischen allen Elementarteilchen verloren. Der Radius des heute beobachtbaren Weltalls von 10 Milliarden Lichtjahren betrug nach der Inflation ca. 3 m. Was wir heute kennen, umfasste also nur 2 Teile in 1052 dieser Inflationsblase, wie 1 Wasserstoffatom in 2 Erdvolumen!

Dieses Szenario ist völlig spekulativ, aber es stellt heute die einzige physikalische Erklärung dar für folgende Fakten (die aber hier nicht im Einzelnen erklärt werden sollen):
(1) dass es keine Antimaterie mehr gibt, nur Materie;
(2) die Herkunft des Grossteils der kosmischen Hintergrundstrahlung;
(3) die grosse Homogenität des Universums ohne Ursache-Wirkungskontakt kurz nach dem Urknall;
(4) die schwachen Homogenitätsschwankungen, die für eine Galaxienbildung nötig waren;
(5) dass die Gravitation überhaupt Galaxien bilden konnte.

Das anfängliche Verhältnis von Expansionsgeschwindigkeit zu Gravitation musste genau richtig sein. Wenn es nämlich um mehr als einen Teil in 1060 vom kritischen abgewichen wäre, hätte die Gravitation entweder in kurzer Zeit das Universum wieder in sich zusammenstürzen lassen, oder sie wäre für eine Galaxienbildung zu schwach gewesen. Dies bedeutet eine unerhörte Präzision! Aber es kommt noch erstaunlicher!

1.6 Die kosmologische Konstante

Bis vor kurzem passten nicht alle voneinander unabhängigen Altersbestimmungen des Universums genau zusammen. Mit dem Inflationsmodell konnte man die Erzeugung eines „flachen“ Universums erreichen, um die Entstehung von Galaxien zu erklären. Doch könnte ein solches Universum mit genau kritischer Dichte nur gut 10 Milliarden Jahre alt sein. Manche Kugelsternhaufen sind aber älter, und nur ein kleiner Teil der benötigten Masse ist gefunden worden.

Nun hat die Bestimmung der Entfernung von 42 sehr weit entfernten Supernovae zu einem überraschenden Lösungsansatz geführt.20 Mit grosser Wahrscheinlichkeit entfernen sich diese Objekte schneller von uns, als sie es könnten, wenn das Weltall nur von der Gravitation beherrscht wäre! Eine Erklärung dafür ist eine kosmologische Konstante L, welche den Raum ausdehnt, und zwar mit zunehmender Geschwindigkeit und unabhängig von der Materie. Einstein hatte einmal ein solches L postuliert, um ein statisches, ewiges Universum zu ermöglichen. Nachdem aber Hubble die Expansion des Universums entdeckt hatte, nannte es Einstein seinen „grössten Schnitzer“.

Im neuen Modell der Expansion des Universums war zunächst der Bremseffekt der Gravitation vorherrschend, seit ca. 6 Milliarden Jahren jedoch der sehr kleine Beschleunigungseffekt der kosmologischen Konstante. Dies ermöglicht ein „flaches“ Universum mit einer mittleren Dichte, die den Beobachtungen entspricht. Die mysteriöse „exotische Materie“ wurde überflüssig.21 Es ergibt sich ein Alter des Universums von ca. 14,5 Milliarden Jahren, was auch zu den ältesten Kugelsternhaufen passt.

Interessant ist, dass die Grösse von L mit einer Genauigkeit von einem Teil in 10120 festgelegt sein muss,22 um einen Kosmos mit einer bewohnbaren Erde zu ermöglichen. Das ist Präzision!

1.7 Die Zielgenauigkeit des Schöpfers

Penrose, ein führender Kosmologe und Empfänger der Einstein-Medaille, berechnete die Entropie des Universums heute und für einen Endkollaps, den es bei einem Universum mit überkritischer Dichte einmal geben müsste.

Tab. 2. Die Entropie des Universums

Urknall: heute: End-Kollaps:
Entropie ~ 0(Theorie) 1088(beobachtet) 10123(berechnet)
anfängliche Singularität = 108 / Baryon End-Singularität
Die Entropie ist ein Mass für die „Zufälligkeit“ oder „Unordnung“ in einem System, z.B. im gesamten Weltall. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems nur zunehmen könne. Ein geschlossenes System ist z.B. das Weltall, das keinerlei physikalischen Ursache-Wirkungskontakt mit irgendwelchen Objekten ausserhalb haben kann.

Die einzige Chance, den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu begründen, besteht in der anfänglichen Singularität des Urknalls. Das Weltall hatte im Urknall eine Entropie von nahezu 0, denn sie musste ja sehr viel kleiner sein als die heutige Entropie, die nur 108 / Baryon beträgt, was als äusserst klein betrachtet wird. Wie gross die Entropie einer zufällig entstandenen Singularität für ein Weltall wie das unsere sein müsste, kann anhand der Entropie einer End-Singularität abgeschätzt werden, die beim End-Kollaps eines überkritisch dichten Weltalls auftreten würde: sie wäre 10123.

Ein zufälliges Entstehen einer anfänglichen Singularität mit Entropie von nahezu 0, also eines Zustands extremer Dichte und Temperatur, wie es der Urknall beinhaltete, hat nun aber nur eine Wahrscheinlichkeit von 1 in 1010(123). Dies ist eine unvorstellbar kleine Zahl: 1010(123) ist eine 1 und 10123 Nullen, der Exponent 10123 ist eine 1 und 123 Nullen! Ist eine solche Singularität denn eine Notwendigkeit? Oder ist es eine unvorstellbare „Zielgenauigkeit des Schöpfers“, wie Penrose sich ausdrückte?

Der nachstehende Extrakt aus Penroses Arbeiten23 ist in seinen technischen Einzelheiten in unserem Zusammenhang nicht von wesentlicher Bedeutung, aber er zeigt durch die in Anführungszeichen stehenden Aussagen Penroses Urteil über die Unwahrscheinlichkeit eines spontanen Urknalls:

Wenn die kosmologische Singularität wegfällt, „hätten wir etwas verloren, was mir als die beste Chance erscheint, das Geheimnis des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik erklären zu können.“24

Das Hartle-Hawking-Modell25 „ist weit davon entfernt, die Tatsache erklären zu können, dass Singularitäten in der Vergangenheit kleine Weylsche Krümmungen26 haben, solche in der Zukunft grosse.“27

Wenn wir die anfängliche kosmologische Singularität entfernen, machen wir die Weylsche Krümmungshypothese irrelevant und „wir wären in unseren Versuchen, den Ursprung des Zweiten Hauptsatzes zu verstehen, nicht weiter gekommen.“28

„Hätte es kein einschränkendes Prinzip (wie die Weylsche Krümmungshypothese) gegeben, würde uns die Bekenstein-Hawking-Formel29 sagen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass solch eine 'spezielle' Geometrie zufällig auftritt, höchstens etwa 1 Teil in 101000B(3/2) beträgt, wobei B die gegenwärtige Baryonenzahl des Universums darstellt [~ 1080].“30

„Die Zielgenauigkeit des Schöpfers“ müsste also 1 Teil in 1010(123) gewesen sein, damit unser Universum existiert.31

„Ich erinnere mich nicht, in der Physik je irgendetwas anderes gesehen zu haben, dessen bekannte Genauigkeit auch nur im Entferntesten an eine Zahl wie 1 Teil in 1010(123) heranreicht.“32

Derartige Unwahrscheinlichkeiten sind natürlich auch anderen Physikern ein Dorn im Auge. Die meisten unter ihnen helfen sich mit der Spekulation von unendlich vielen Universen aus der Klemme. Wenn es unendlich viele Universen gäbe, und wenn die Naturgesetze und Parameter in ihnen aus beliebig vielen Möglichkeiten zufällig ausgelesen und kombiniert würden, müsste jede beliebige Kombination einmal auftauchen. Wir haben also einfach Glück gehabt. Unwahrscheinlich wäre es nicht mehr.

Natürlich ist es der Wissenschaft grundsätzlich unmöglich, irgendetwas, was es allenfalls ausserhalb unseres Universums noch geben könnte, je zu beobachten oder zu messen. Die „Erklärung“ mit den unendlich vielen Universen ist daher überhaupt keine Erklärung, sondern einfach eine müssige Spekulation.

2. Entstehung der chemischen Elemente für menschliches Leben

2.1 Synthese leichter Elemente im Urknall

Nur die drei Elemente Wasserstoff (H), Helium (He) und Lithium (Li) entstanden im Urknall. Einige Minuten nach dem Urknall, als die Temperatur nur noch 1 Milliarde K betrug, konnten durch Fusion von Protonen (p oder H1) und Neutronen (n) zusammengesetzte Atomkerne aufgebaut werden. Abb. 9 zeigt, wie Kerne der schweren Wasserstoffisotopen H2 (Deuterium), H3 (Tritium), der Heliumisotopen He3 und He4, sowie Lithium Li7 entstanden.

Ein H1 und ein n fusionieren zu H2. Zwei H2 können verschmelzen, stossen aber gleichzeitig entweder ein H1 oder ein n aus, unter Bildung von H3 oder He3. H3 kann ein weiteres H2 aufnehmen und ein n ausstossen, während He3 nach der Aufnahme eines weiteren H2 ein H1 ausstösst. In beiden Fällen entsteht dabei He4. In einer selteneren Reaktion kann dieses mit einem H3 zu Li7 fusionieren. Das Hauptprodukt ist He4. H3 ist radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,4 Jahren unter Abgabe eines Elektrons zu He3.

Man hat berechnet, wieviel von jedem dieser Isotopen entstehen musste, abhängig von der heutigen Dichte des Universums.


Abb. 10 zeigt die Mengenanteile an leichten Isotopen, die aufgrund der Berechnung im Urknall entstehen mussten, im Vergleich zu den heute beobachteten Werten 33 (vertikale Achse, Kurven „Theorie H2, He3, Li7“ und horizontale Balken „gefunden H2, He3, Li7“), als Funktion der heutigen Dichte des Universums (horizontale Achse, in Anzahl Baryonen (Protonen und Neutronen) pro cm3). Neben den hier gezeigten Isotopen H2, He3 und Li7 mussten 24 % He4 entstehen, wie beobachtet, während der Rest H1 blieb. Die beobachteten Mengen an H2, He3 und Li7 passen genau mit den berechneten zusammen. Dies gilt aber nur dann, wenn die heutige Dichte des Universums (vertikale Balken) nicht der kritischen Dichte von etwa 10-29 g/cm3 entspricht, sondern nur einigen Prozent davon. Aber dies ist genau das, was den bisherigen Beobachtungen entspricht!

Neben der Expansion des Universums und der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ist diese Übereinstimmung der Häufigkeit der leichten Isotopen über 9 Grössenordnungen einer der stärksten Beweise für das Urknallmodell.

2.2 Beryllium bis Sauerstoff


Nach der ersten halben Stunde nach dem Urknall war die Temperatur auf 300 Millionen K gesunken, und es konnten keine Atomkerne mehr synthetisiert werden. Es gab aber erst die drei leichtesten Elemente H, He und Li. Erst in den Sternen wurde es durch die hohe Dichte im Innern wieder so heiss, dass Kernfusionen erneut eintreten konnten. Auch hier fusioniert zunächst wieder H zu He.

Wenn der Wasserstoff im Zentrum des Sterns fast aufgebraucht ist, genügt die erzeugte Energie nicht mehr, um den Gravitationsdruck der Sternmasse aufzuhalten, und der Stern kollabiert. Dadurch wird sein Zentrum weiter aufgeheizt, bis die Fusion von Helium zu schwereren Elementen gezündet wird. Dies bläht nun die äussere Hülle auf, und der Stern wird zum Roten Riesen. Später kann ein Teil der Hülle abgestossen werden. Dies ist z.B. beim Ring-Nebel ersichtlich, der aus einer solchen abgestossenen Hülle besteht und bereits einen Durchmesser von einem Lichtjahr hat.

Mit der Helium-Verschmelzung (Abb. 11) beginnen nun neue Wunder.

Bei der Helium-Fusion verschmilzt He4 zu Beryllium Be8. Dieses zerfällt sofort wieder zu He4, aber mit einer Halbwertszeit von 6,7 x 10-17 s viel langsamer als erwartet. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass das Be8 noch ein drittes He4 einfangen kann.
Da die Gesamtenergie von Be8 + He4 7,37 MeV beträgt, also gerade ein bisschen kleiner ist als diejenige von Kohlenstoff C12, 7,65 MeV, ergibt sich mit der Stossenergie zusammen eine Resonanz mit diesem C12-Energieniveau, und C12 entsteht. Ohne Resonanz würde kein C entstehen.
Beim Einfang eines weiteren He4 entsteht Sauerstoff O16, aber da die Gesamtenergie von C12 + He4 etwas grösser ist als diejenige von O16, ist keine Resonanz möglich, und nicht alles C12 wird in O16 verwandelt. Mit Resonanz würde kein C übrig bleiben, mit nur wenig kleinerer oder wenig grösserer Energie von C12 + He4 entstünde kein O.
Die Rahmenbedingungen dafür, dass diese Nukleosynthesen funktionieren können, sind extrem eng. Diesen drei unglaublichen Zufällen ist es zu verdanken, dass es sowohl C als auch O in brauchbaren Mengen gibt. Hoyle,34 der Entdecker dieser Zusammenhänge, schloss aus der Tatsache, dass wir mit unserem C und O existieren, dass die Energien genau so sein müssten und sagte dieses Resonanzschema voraus, das dann auch tatsächlich gefunden wurde. Dies war eine der ersten Anwendungen des anthropischen kosmologischen Prinzips.

Nachdem Hoyle 1953 die seltsamen „Zufälle“ bei der Nukleosynthese von C und O entdeckt hatte, schloss er: „ein Superintellekt hat mit der Physik herumgespielt, wie auch mit der Chemie und Biologie.“ Der Einschluss der Chemie und Biologie bezieht sich darauf, dass er zudem aus der Komplexität des Lebens folgerte, dass dieses nicht zufällig auf der Erde habe entstehen können. Er erachtete die darwinsche Evolution in einem kosmischen Zeitrahmen von nur zehn oder zwanzig Milliarden Jahren für unmöglich, in seinen eigenen Worten:35

Ich schätzte (auf einer sehr konservativen Basis) die Wahrscheinlichkeit, dass ein zufälliges Zusammenwürfeln von Aminosäuren einen funktionierenden Satz von Enzymen erzeugen könnte, auf weniger als 10-40'000. Da die Winzigkeit dieser Wahrscheinlichkeit jeden Gedanken daran, dass das Leben auf der Erde entstanden sein könnte, vom Tisch wischt, argumentieren viele, deren Gedanken irreversibel auf einen Glauben an einen irdischen Ursprung des Lebens programmiert sind, dafür, dass die Enzymschätzung falsch sei. Sie ist es – sie ist nämlich zu konservativ.

Da es für Hoyles agnostischen Glauben essentiell ist, jede Art von göttlicher Schöpfung des Lebens auszuscheiden, zog er den Schluss, dass der einzige gangbare Weg, mit so kleinen Wahrscheinlichkeiten wie 10-40'000 fertigzuwerden, der ist, zu fordern, dass das Universum in Zeit und Ausdehnung unendlich sein müsse. Sogar 1990 verteidigte er noch sein zeitloses Fliessgleichgewichts-Modell als eine Alternative zum allgemein akzeptierten Urknall-Modell,36 obwohl er dadurch mit dem ganzen Kosmologie-Establishment in Konflikt geriet.


2.3 Alle Elemente bis Eisen

In schwereren Sternen wiederholt sich am Ende jeder Kernfusionsstufe der Kollaps des Sterns mit Temperaturerhöhung und dem Start neuer Kernreaktionen, bis zur Synthese von Eisenkernen (Fe). Jede Stufe geht schneller als die vorhergehende, da immer weniger Energie frei wird. Schwerere Elemente als Fe können nicht gebildet werden, da bei ihrer Bildung keine Energie freigesetzt wird, sondern zugeführt werden müsste.

Abb. 12 zeigt die Hauptreaktionen (a-Prozesse) unter Teilnahme von He4-Kernen (a-Teilchen), was zu der „Viererreihe“ in den Atomgewichten führt (vgl. die Elementhäufigkeiten, Abb. 15: die Elemente C, O, Neon (Ne), Magnesium (Mg), Silizium (Si), Schwefel (S) sind jeweils etwa zehnmal häufiger als die dazwischen liegenden; die Häufigkeit des stabilen Fe übertrifft diejenigen aller Elemente, die schwerer als Si sind).

Zwischen den a-Prozessen, die zu C, O, Ne, Mg, Si, S usw. führen, gehen viele weiteren Kernreaktionen vor sich, die alle anderen Elemente bis zu den Eisenmetallen bilden.37 Neutronen-Einfang führt zu immer schwereren Isotopen aller Elemente, bis eines davon radioaktiv ist und unter Abgabe eines Elektrons zerfällt (b-Zerfall) und damit das nächsthöhere Element bildet. In Abb. 13 sind die häufigsten Isotopen eines Elements mit durchgehenden Rahmen versehen (die durch a-Prozesse entstandenen mit einem dicken), die weniger häufigen gestrichelt und die radioaktiven punktiert.

Eine Ausnahme stellt N16 dar, das nach dem b-Zerfall sofort noch ein a-Teilchen abgibt und zu C12 zerfällt. Da aber O16 auch durch den Hoyleschen a-Prozess entsteht, hat dies keine Folgen für die O-Häufigkeit.

Schwerwiegendere Konsequenzen hat die spezielle Situation bei Fluor (F), von dem in den normalen schweren Sternen praktisch nichts übrigbleibt, weil der von O18 zu O19 führende Neutronen-Einfang viel schwächer verläuft als der von F19 zu F20 führende (die Wirksamkeit des Neutroneneinfangs wird durch den thermalen Neutronenquerschnitt38 gemessen). Aus diesem nur sehr ineffizient entstehenden O19 erfolgt aber durch b-Zerfall die Bildung von F19, von welchem daher nur sehr wenig vorhanden ist. Andererseits zerstört der b-Zerfall zu Ne20 das sehr effizient aus F19 entstehende F20 sofort wieder.

Fluor ist für uns aber lebensnotwendig. Woher haben wir es also, wenn es nicht in genügenden Mengen entstehen konnte? Es wäre müssig, darüber zu spekulieren, ob es nicht eine „bessere Welt“ mit weniger stabilem O18 oder stabilerem F19 geben könnte. Die physikalischen Parameter der Isotopen sind nicht individuell und allenfalls sogar zufällig bestimmt, denn sie sind eine Folge der fundamentalen physikalischen Parameter, wie die Stärke der Kernkräfte, Massen der Elementarteilchen usw.


Glücklicherweise gab es eine Lösung für das Fluor-Problem. Um für einen Leben ermöglichenden Planeten genügend F zu erhalten, braucht es eine ganz spezielle Art von Doppelsternen. Einer der beiden Sterne muss ein Weisser Zwerg sein (eine alte Sternruine extremer Dichte), und er muss durch seine hohe Gravitationskraft vom anderen Stern Materie ansaugen können. Diese löst dann beim Aufprall an seiner Oberfläche Kernreaktionen aus und synthetisiert unter anderem F. Ausserdem ist die Grösse der Masse dieses Weissen Zwerges kritisch. Ein zu schwerer Stern wird nicht zum Weissen Zwerg, ein zu leichtes Doppelsternsystem hat nicht genügend Masse für die Bildung einer Supernova. Der Weisse Zwerg muss ja genügend schwer werden und durch seine Explosion seine Materie in den Weltraum zerstreuen können.

2.4 Supernova-Explosion

Die Tab. 3 gibt einen Überblick über die Stadien der Elementsynthese in Sternen. Durch die gegen innen zunehmende Temperatur gibt es mit der Zeit Schalen verschiedener Reaktionen, die zuletzt alle gleichzeitig ablaufen („Zwiebelschalen“). In der äussersten, der H-Schale, in welcher H zu He fusioniert, entstehen nur die gleichen Elemente, die schon im Urknall entstanden sind und daher ohnehin überall reichlich zur Verfügung stehen. Für uns wichtige Elemente werden aber in den inneren Schalen synthetisiert. In der He-Schale entstehen C, O, und Stickstoff (N). In der C-Schale entstehen vor allem O, Ne, Mg, Natrium (Na), und Aluminium (Al). In der Ne-Schale entstehen vor allem O und Mg. In der O-Schale entstehen vor allem Mg, Si, S, Phosphor (P), Chlor (Cl), Argon (Ar), Kalium (K), und Kalzium (Ca). In der Si-Schale entstehen die Eisenelemente Fe, Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Kobalt (Co), und Nickel (Ni).

Für die Entstehung von Planeten, die Leben ermöglichen sollen, ist es von entscheidender Bedeutung, was von den neuen Elementen in den Weltraum herausgelangt. Zuerst, nach Ablauf der Phase, in welcher H zu He fusioniert, wird nur H und He ausgestossen, welche im Weltraum schon im Überfluss vorhanden sind. Bei kleinen bis mittleren Sternen bleibt es dabei. Die schwereren Elemente werden nur bei Sternen mit mindestens 25 Sonnenmassen freigesetzt, und zwar durch eine Supernova-Explosion. Das Leben auf der Erde ist also absolut von Supernova-Explosionen abhängig!

Tab. 3. Schwere Elemente für den Weltraum

Kernreaktionen mindestens ... Sonnenmassen Temperatur, K Veränderung am Schluss ungefähre Dauer (bei
25 [1] Sonnenmassen)
H ð He 0,1 15 Mio. Anschwellen, Ausstoss von H und He 10 Mio. [10 Mia.] Jahre
He ð C, O
N 100 Mio.
Kollaps 3 Mio. [100 Mio.] Jahre
C ð O, Ne, Mg
Na, Al 4 600 Mio.
Kollaps 600 Jahre
Ne ð O, Mg 9 1 Mia. 1 Jahr
O ð Mg, Si, S
P, Cl, Ar, K, Ca 1,5 Mia. 6 Monate
Si ð Fe
Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni 20 3 Mia.
Kernkollaps < 1 Tag
25 Supernova, Ausstoss aller Elemente


Glücklicherweise läuft die Entwicklung schwerer Sterne viel schneller ab als diejenige leichter Sterne. Die Phase der H-Fusion dauert bei einem Stern von der Masse der Sonne etwa 10 Milliarden Jahre, bei einem von 25 Sonnenmassen aber nur 10 Millionen Jahre. In der Folge wurde einerseits der Weltraum durch grosse Sterne schon relativ früh mit allen Elementen angereichert, während andererseits für Leben geeignete kleine Sterne genügend lange stabil bleiben.


Abb. 14 zeigt, was bei der Supernova-Explosion eines Sterns mit etwa 25 Sonnenmassen geschieht. Die Zwiebelschalen der verschiedenen Kernreaktionen sind mit ihrenTemperaturen (links, in K), Hauptelementen (Mitte) und Dichten (rechts, in g/cm3) angegeben. Die Dicke der Schalen ist nicht massstabsgetreu gezeichnet. Von links nach rechts sind mit Pfeilen die Ereignisse in der Reihenfolge ihres Eintretens eingezeichnet.

Wenn im Innersten des Sterns genügend Fe entstanden ist, fällt er unter dem Druck der Gravitation plötzlich zu einem Neutronenstern zusammen (dicker grauer Pfeil). Schon vorher bestand diese innerste Sternregion aus extrem komprimiertem Gas aus Ionen und Elektronen, mit einer Dichte von 1000 t/cm3 (Tonnen!). Nun stürzen die Ionen-Reste zusammen und alle Elektronen und Protonen vereinigen sich zu Neutronen, so dass die resultierende Dichte nochmals um den Faktor 100'000 auf 108 t/cm3 steigt.

Dieser Kollaps geschieht so plötzlich, dass die darüber liegenden Schalen des Sterns zunächst zurückbleiben und dann mit bis zu 15 % der Lichtgeschwindigkeit nachstürzen (dünne Pfeile gegen innen). Die Masse schlägt auf den Neutronenkern auf, dieser stösst elastisch zurück (kleine dicke Pfeile) und jagt eine Schockwelle (äusserer grauer Kreis) durch den ganzen Stern nach aussen (dünne schwarze Pfeile gegen aussen, dann graue Doppelpfeile). Die nach aussen gestossenen Massen werden aber in den riesigen Dimensionen des Gesamtsterns gebremst und bilden eine hoch verdichtete Schockfront. Dies würde aber trotzdem noch nicht genügen, den Stern zur Explosion zu bringen.

Beim Aufprall der innersten Schale auf den Neutronenkern entstehen Neutrinos, welche die Schockfront einholen (innere weisse Pfeile). Teils durchfliegen die Neutrinos den ganzen Stern ungehindert (lange weisse Pfeile), teils bleiben sie aber in der verdichteten Schockfront „stecken“. Sie starten eine Lawine von Kernreaktionen, durch welche auch alle Elemente entstehen, die noch schwerer als Fe sind. Dazu gehören unter anderem die lebenswichtigen Elemente Kupfer (Cu), Zink (Zn), Selen (Se), Molybdän (Mo), und Jod (I), ebenso die für die geologische Entwicklung der Erde wichtigen radioaktiven Elemente Uran (U) und Plutonium (Pu).

Die Neutrinos müssen gerade die richtige Energie besitzen, so dass sie aus dem Neutronenkern freikommen, aber trotzdem nicht alle einfach wirkungslos durch die komprimierte Schockfront nach aussen fliegen – wieder eine Feinabstimmung! Der zusätzliche Impuls der Neutrinos reicht nun, um den Stern zur Explosion zu bringen. So gelangen die darin gebildeten Elemente in den Weltraum, wo sie Material für neue Sterne, und vor allem Planeten, liefern können.


Supernova-Explosionen gibt es nur bei schweren Sternen, die nur einige Millionen Jahre als werden. Daher tauchen sie vor allem in Gebieten aktiver Sternbildung auf, so in den Spiralarmen von Spiralgalaxien, besonders aber auch in aktiven Galaxienkernen (z.B. in der 10 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M82,39 deren Kern Wolken von leuchtendem Gas ausstösst). Aktive Sternbildung ist am blauen Licht zu erkennen, denn schwere Sterne haben eine hohe Oberflächentemperatur im blauen Bereich.

Schon seit Jahrhunderten sind einzelne Supernovae aufgrund der auffälligen Erhöhung ihrer Helligkeit innerhalb von Tagen entdeckt worden. Innerhalb von Wochen geht die Strahlungsintensität dann wieder zurück. Mit modernen Instrumenten können aber auch die Überreste alter Supernovae heute noch untersucht werden, z.B. die Ueberreste der Supernova e Carinae,40 deren Explosion 1841 gesehen wurde. Der Stern, ursprünglich 150 Sonnenmassen schwer, ist ca. 10'000 Lichtjahre entfernt. Man sieht heute zwei grosse, stickstoffhaltige Wolken, die sich mit etwa 900 km/s entfernen. Sie sind in den gut 150 Jahren fast ein halbes Lichtjahr weit gekommen.

Alle stabilen Elemente sind im Sonnensystem vorhanden. Ihre relative Häufigkeit ist aus Abb. 15 ersichtlich.41 Die Häufigkeitsskala ist logarithmisch und ist auf 106 für Si normiert. Die horizontale Skala gibt die Anzahl Protonen im Kern an.

Die gestrichelten Teile der Häufigkeitskurve betreffen Elemente, die nur als radioaktive Isotopen existieren. Mit Ausnahme von Thorium Th und Uran U, welche Halbwertszeiten von mehreren Milliarden Jahren aufweisen, sind alle davon im Laufe der Geschichte des Sonnensystems vollständig zerfallen. Sie sind deshalb hier nicht aufgeführt, obwohl sie unter dem Einfluss der kosmischen Strahlung laufend in Spuren neu entstehen.

Der regelmässige Zickzackverlauf der Kurve von C bis Neodym (60 Protonen) zeigt, dass Kerne mit einer geraden Anzahl Protonen stabiler sind als solche mit einer ungeraden. Dies entspricht auch ihrem Aufbau aus He4-Kernen aufgrund des a-Prozesses. Von He bis S enthalten die stabilsten Isotopen dieser Elemente mit gerader Protonenzahl auch gleichviele Neutronen wie Protonen. Ihre Atomgewichte entsprechen daher der in Abb. 12 angetroffenen „Viererreihe“. Die relativ hohe Menge an Fe zeigt auch, dass dieser Kern eine besonders stabile Konfiguration darstellt.

Viele dieser Elemente sind für den Aufbau einer bewohnbaren Erde und für unser Leben notwendig.

2.5 Feinabstimmung des Universums

Es gibt viele physikalischen Parameter, die nicht zu gross und nicht zu klein sein dürfen, wenn es überhaupt bewohnbare Planeten geben soll. Die Tab. A1 im Anhang (Feinabstimmung des Universums für bewohnbare Planeten42) zeigt eine Liste von 34 Parametern, die ungefähr den bisher besprochenen Teil der Kosmologie abdeckt. Die zulässigen Bereiche in den Parameterwerten sind z.T. sehr eng, z.B. die anfängliche Expansionsgeschwindigkeit innerhalb 1 Teil in 1060. Wenn nur ein einziger dieser Parameter ausserhalb des lebensfreundlichen Bereichs fällt, ist im ganzen Universum kein Leben möglich.

Es geht dabei unter anderem darum, dass es Strahlung und Materie mit stabilen Atomkernen geben konnte; dass sich Galaxien und Sterne bilden konnten; dass Sterne mit der richtigen Masse, Temperatur, Leuchtkraft möglich waren, die genügend lange stabil brennen; dass es stabile Sternen- und Planetenbahnen in Regionen geben konnte, die zwar genügend schwere Elemente für feste Planeten, aber nicht zuviel schädliche Strahlung enthalten; dass genügende Mengen aller für die Biochemie nötigen Elemente vorhanden waren, besonders an C, O und F; dass Wasser ein stabiles Lebensmilieu abgibt, dass die chemische Bindung die lebensnotwendigen Reaktionen zulässt usw.

Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Feinabstimmung der vielen verschiedenen physikalischen Parameter nicht unabhängig voneinander geschehen kann, sondern dass das Ganze aus einem Guss ist. Zu grosse Veränderungen eines Parameters würden die Harmonie von vielen anderen zerstören, und das Gesamtsystem würde nicht mehr funktionieren. Alle grundlegenden Eigenschaften des Universums sind aufeinander aufgebaut und voneinander abhängig, angefangen mit der Urknall-Entropie, der Anzahl der Dimensionen, der Quantenmechanik und Relativität, über die fundamentalen Kräfte, zu den Elementarteilchen und ihren Eigenschaften. Dabei bestünde für die Wertewahl vieler anderer, scheinbar zufälliger Parameter durchaus die Wahl aus grossen Wertebereichen, aber nur ein ganz bestimmter Teilbereich erlaubt Leben auf einem Planeten mehr als 10 Milliarden Jahre später.

Ist diese Feinabstimmung der Parameter Notwendigkeit oder Zufall? Oder ist intelligente Planung die einzige vernünftige Erklärung? Dabei beinhaltet „Notwendigkeit“ das Eingebundensein in ein System von vorgegebenen „Naturgesetzen“, während „Zufall“ die nicht physikalisch determinierte Wahl eines bestimmten Wertes aus einer bestimmten Werteverteilung beschreibt. Ein intelligenter Planer hat es natürlich in der Hand, sowohl den zugrundeliegenden Naturgesetzen als auch den Verteilungen die richtige Form zu geben. Er kann ebenso jede Wertewahl entsprechend seinem Plan soweit nötig eingrenzen.

3. Bildung eines Planetensystems für menschliches Leben

3.1 Ein Planetensystem

Im Universum können Bereiche erhöhter mittlerer Dichte aufgrund der Gravitation zur Bildung von Galaxienhaufen und Galaxien führen. Ebenso sind Bereiche erhöhter Dichte in einer Galaxie Ausgangspunkte für die Bildung von Sternen mit ihren Planetensystemen. Es ist nicht bekannt, ob verhältnismässig viele oder nur wenige Sterne Planetensysteme haben. Und wenn ein Planetensystem vorhanden ist, kann es sein, dass keiner der Planeten bewohnbar ist. Die paar Dutzend bisher entdeckten Planeten anderer Sterne weisen jedenfalls darauf hin, dass es sehr verschiedene Arten von Planetensystemen geben kann.

Die Vorgänge, die zur Bildung eines Planetensystems führen, kann man sich wie folgt vorstellen: in einer galaktischen Wolke aus Gas und Staub gibt es Bereiche erhöhter Dichte in den Spiralarmen. Ein Gebiet einer solchen Wolke kann auch durch die von einer Supernova ausgehende Schockwelle zusätzlich verdichtet werden. Den noch viel dichteren Kern der Galaxie brauchen wir nicht in Betracht zu ziehen, da es dort wegen der hohen Dichte an Sternen ohnehin keine genügend stabilen Planetenbahnen geben kann.

Aufgrund der Gravitation zieht sich eine verdichtete Region zunächst langsam, dann immer schneller zusammen. Beim Komprimieren erhöht sich die Temperatur des Gases. Wenn sie im Zentrum über etwa 10 Millionen K erreicht hat, beginnt die Kernfusion, und ein Stern ist geboren. Er ist aber immer noch von einer grossen Wolke von Gas und Staub umgeben, dem protoplanetaren Nebel, aus dem sich Planeten bilden können.

Wenn die ganze verdichtete Region auch nur einen minimen Drehimpuls besass, muss dieser erhalten bleiben. Beim Zusammenziehen erhöht sich daher die Rotationsgeschwindigkeit des Ganzen. Alle Teilchen bewegen sich ungefähr auf Kreisbahnen um die gemeinsame Rotationsachse. Je schneller die Bewegung wird, desto mehr flacht sich wegen der Gravitationskraft (hier als Zentripetalkraft) das Gesamtsystem ab, bis es grob einem Diskus gleicht.


Da auch zwischen kleinsten Teilchen Gravitationskräfte wirken, beeinflussen sich ihre Bahnen, und es kommt gelegentlich zu Kollisionen. Weil aber anfänglich alle Teilchen noch sehr klein sind und ungefähr gleichlaufende Kreisbahnen aufweisen, sind die relativen Geschwindigkeiten bei Kollisionen zwischen ihnen zunächst meist sehr klein. In solchen Fällen besteht die Tendenz, dass die kollidierenden Körper zusammenhaften, so dass diese Planetesimale im Laufe der Zeit immer grösser werden. Bei höheren Geschwindigkeiten wird es eher elastische Stösse und damit Bahnveränderungen geben. Bei grossen relativen Geschwindigkeiten, und besonders bei grossen Massen, wird es zu sehr heftigen Zusammenstössen kommen, welche zum Schmelzen der Körper und zum Verdampfen und Auswurf von Material führen können.

Grosse Massen ziehen kleinere an sich; sie „wischen“ ihr Umfeld sauber. Die gesamthafte Tendenz ist es, dass wenige grosse Massen übrigbleiben, von denen jede einen grossen freien Raum um ihre Bahn hat. So entstehen Planeten und, in etwas komplizierterem Zusammenspiel der gleichen Kräfte, Monde, Kometen und kleinere Körper.

Die Dynamik eines Planetensystems wird durch diverse Einflüsse bestimmt, die voneinander abhängig sind (Abb. 16). Das Vielkörpersystem folgt nichtlinearen Bewegungsgleichungen, die möglicherweise zu nicht voraussehbaren chaotischen Bewegungen führen.43 Computersimulationen haben gezeigt, dass eine Planetenbahn während Jahrmillionen stabil sein und dann plötzlich chaotische Phasen durchmachen kann. Solche Ereignisse könnten problemlos das Leben auf einem Planeten auslöschen. Die Erde war aber während 4 Milliarden Jahren lebensfreundlich! Weshalb? Auch dies scheint eine ganz ungewöhnliche Situation zu sein.

3.2 Die Entwicklung der Erde

Das Leben ist davon abhängig, ständig genügend Wasser und alle nötigen Mineralien (viele Elemente) zur Verfügung zu haben. Keines davon darf also im Laufe der Zeit (z.B. durch Sedimentation im Meer) verschwinden. Wir brauchen daher Kreisläufe aller Elemente. Dies geschieht durch das System der Plattentektonik,44 die immer wieder zu Kontinentalverschiebungen geführt hat. Sie ist notwendigerweise auch mit Erdbeben und Vulkanismus verbunden.

Vor 4.56 Milliarden Jahren wurde die Erde gebildet. 50 Millionen Jahre später stiess ein etwa marsgrosser Körper tangential mit ihr zusammen. Das beim Zusammenstoss ausgeworfene Material kreiste zunächst in einem Ring um die Erde, wie beim Saturn. Daraus kondensierte der Mond,45 der nun die Dynamik der Erdbewegung stabilisiert und gleichzeitig Meeresbewegungen antreibt. Bei der Kollision schmolz die Erde, und Eisen und Silikate trennten sich. Es bildete sich ein Eisenkern, der trotz der hohen Temperatur nur aussen flüssig, aber wegen der hohen Dichte und eines bestimmten Schwefelgehalts innen fest ist. Dies ergab einen Dynamo, der ein Magnetfeld erzeugt, welches uns vor kosmischer Strahlung schützt.


Die leichteren Silikatgesteine bildeten den Erdmantel. Der Erdmantel ist hochviskos, aber langfristig beweglich. Strömungen im Erdmantel (Abb. 17) werden durch die Rotation der Erde und wahrscheinlich Vorgänge an der Kern-Mantel-Grenzschicht angetrieben. Es ergeben sich lokal aufsteigende heisse Zonen, wo sich flüssiges Magma bildet. Dieses erstarrt an der Oberfläche zur Kruste und treibt diese Kruste beidseitig auseinander (einige cm/Jahr). Wo diese wandernden Platten zusammenstossen, bildet sich wegen des mitgerissenen Wassers und der Erdwärme wieder Magma, und was leichter ist, steigt auf. So entstehen mit der Zeit dicke Kontinentalschollen aus leichterem Gestein, während die Primärkruste in die Tiefe geschoben wird (Subduktion). Sobald die Kontinente dick genug waren, tauchten sie aus den Ozeanen über der dünneren Primärkruste oder ozeanischen Kruste auf. Nun begann die wetterbedingte Erosion der Kontinente und die Überlagerung der ozeanischen Kruste mit Sedimenten.

Das Gesamtsystem ist in einem dynamischen Gleichgewicht, mit drei Gesteinsbereichen abnehmender mittlerer Dichte: Mantel, ozeanische Kruste, kontinentale Kruste. Das Fliessgleichgewicht dieses Systems erzeugte den benötigten Kreislauf aller Elemente. Im Erdinnern wird das Gestein transportiert durch die Verschiebung und Subduktion der ozeanischen Platten, durch Strömungen im Erdmantel, durch aufsteigendes Magma, und Wasser wird mitgerissen. Vulkane und Erosion bringen die zirkulierten Elemente wieder mit der Biosphäre in Berührung.

3.3 Die Erdatmosphäre


Nicht jeder Planet entwickelt sich so, dass er Leben tragen kann. Mars und Venus, unsere Nachbarn, waren zunächst der Erde sehr ähnlich, aber heute ist die Venus eine Hölle heisser Schwefelsäuredämpfe und der Mars eine eiskalte, luftlose Wüste mit tödlicher UV-Strahlung. Abb. 18 zeigt die drei radikal verschiedenen Atmosphären46 (die Anteile sind logarithmisch gegeben).

Nur in der Erdatmosphäre sind Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) vorherrschend, mit stark reduziertem Anteil an Kohlendioxyd (CO2). Mars und Venus haben CO2-Atmosphären mit relativ kleinem N2- und noch kleinerem O2-Anteil. Das giftige Kohlenmonoxyd (CO) kommt bei Venus und Mars in gleichen Mengen wie O2 vor, auf der Erde nur in ungefährlichen Spuren. Das für das Leben bedeutsame Stickoxyd (N2O) kommt nur auf der Erde vor, die ebenso wichtigen reduzierten Gase Wasserstoff (H2) und Methan (CH4) kommen auf der Erde und der Venus in ähnlichen Grössenordnungen vor, obwohl die Erdatmosphäre 10'000 Mal höhere Konzentrationen des Oxydationsmittels O2 enthält. Die Erdatmosphäre, die Leben ermöglichte, wurde ihrerseits durch das Leben geprägt. Sie ist vom chemischen Gleichgewicht weit entfernt, aber in einem dynamischen Fliessgleichgewicht.

Das Fliessgleichgewicht der chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre wird u.a. auch durch den Gasaustausch an der Erdoberfläche sichtbar (Abb. 19).47 Er ist massgeblich durch das Leben geprägt, und das Leben wird seinerseits durch diese Gase beeinflusst. Viele davon werden in Mengen ausgetauscht, die um eine bis über drei Zehnerpotenzen höher sind, als wenn es kein Leben gäbe. Zudem wird abiotisch überhaupt kein O2, N2O, Ammoniak (NH3), Dimethylsulfid (Me2S) und Isopren48 ausgetauscht.

Im Laufe der Erdgeschichte hat sich die Atmosphäre aber auch radikal verändert. Die früheren Konzentrationen an CO2 und O2 sind trotz verschiedener Anhaltspunkte noch sehr ungenau bekannt; mögliche Bereiche sind in Abb. 20 gezeigt.49 Man weiss, dass vor 4,5 Milliarden Jahren die Sonneneinstrahlung um 30 % geringer war als heute. Mit der heutigen Atmosphäre wären dabei die Ozeane irreversibel gefroren. Um dies zu verhindern, war eine Treibhausatmosphäre nötig. Man nimmt an, dass in erster Linie CO2 und wahrscheinlich CH4 dazu beitrugen. Eine solche Atmosphäre hätte aber später zu einer irreversiblen Treibhauskatastrophe wie auf der Venus geführt. Die Konzentration der Treibhausgase musste daher im Gleichschritt mit der Zunahme der Sonneneinstrahlung abnehmen, um diese jederzeit exakt zu kompensieren. Aufgrund der Geschichte des Lebens weiss man, dass es mindestens seit 3,8 Milliarden Jahren weder eine Tiefgefrier- noch eine Treibhauskatastrophe gab.


Die Zunahme des O2 erfolgte aufgrund der Entwicklung der Biosphäre, wahrscheinlich in mehreren Stufen, am markantesten vor etwa 2 Milliarden Jahren. Dafür war in erster Linie die Photosynthese durch grüne Bakterien und später Pflanzen verantwortlich. Dabei muss berücksichtigt werden, dass während 2 Milliarden Jahren das entstehende O2 zunächst durch sehr grosse Mengen an reduzierenden Salzen und Mineralien aufgebraucht wurde. Erst später, etwa vor 600 Millionen Jahren, konnten vielzellige Organismen leben, welche eine gewisse Konzentration an verfügbarem O2 brauchen. Grössere Organismen, besonders sich schnell bewegende Tiere, brauchen noch mehr O2; sie tauchten erst etwa vor 400 Millionen Jahren auf. Da O2 auch nötig ist, um einen Strahlungsschirm aus Ozon (O3) aufzubauen, konnte das Festland erst vor etwa 475 Millionen Jahren durch Pflanzen und vor etwa 335 Millionen Jahren durch Tiere besiedelt werden.50

3.4 Der erstaunliche Treffer der bewohnbaren Erde

Die Tab. A2 im Anhang zeigt nochmals eine Liste kritischer physikalischer Parameter, deren Werte in einem bestimmten Bereich sein müssen, damit es eine bewohnbare Erde geben kann. Diesmal geht es ausschliesslich um das System Galaxie – Sonne – Erde – Mond.51 Es sind 75 Parameter; bei jedem wurde die Wahrscheinlichkeit abgeschätzt, dass sein Wert in einem Bereich liegt, der das Leben, und insbesondere auch höheres Leben, ermöglicht. Diese Wahrscheinlichkeiten bewegen sich zwischen 0.0001 und 0,4.

Tab. 4. Wahrscheinlichkeit eines für Leben geeigneten Planeten 52

ð Jeder von 75 physikalischen Parametern eines Systems Galaxie – Stern – Planet – Mond
muss innerhalb bestimmter Limiten sein,
um die Bildung eines für Leben geeigneten Planeten zu ermöglichen.

Geschätzte Wahrscheinlichkeiten, dass diese Faktoren im richtigen Bereich sind 0,4 bis 0,0001

Geschätzte Abhängigkeitsfaktoren 1011

Geschätzte Anforderungen an Dauerhaftigkeit 0.00001

Wahrscheinlichkeit des kombinierten Eintreffens aller 75 Parameter im richtigen Bereich » 10-99

Maximal mögliche Anzahl Planeten im Universum » 1022

ð Wahrscheinlichkeit, im Universum
auch nur einen einzigen für Leben geeigneten Planeten zu finden » 10-77

Wenn man die Wahrscheinlichkeit ausrechnet, dass diese 75 Parameterwerte alle gleichzeitig in ihren richtigen Bereichen liegen (Tab. 4), und noch einige Korrekturen anbringt, ergibt sich eine geschätzte Gesamtwahrscheinlichkeit von ungefähr 10-99. Da es (im grundsätzlich der Beobachtung zugänglichen Teil des Universums) etwa 1011 Galaxien mit je etwa 1011 Sternen gibt und jeder höchstens einen für Leben geeigneten Planeten haben kann, ist die Wahrscheinlichkeit, im ganzen Universum auch nur einen einzigen für menschliches Leben geeigneten Planeten zu finden, ungefähr 10-77. Natürlich ist diese Schätzung sehr ungenau, aber bei solch geringen Wahrscheinlichkeiten fallen sogar Fehler von mehreren Zehnerpotenzen nicht mehr ins Gewicht! Es ist wohl nicht übertrieben, zu sagen, es sei ein Wunder, dass es unsere Erde überhaupt gibt.

4. Lebensentstehung

Eine spontane Lebensentstehung und spontane Evolution wesentlich neuer biologischer Strukturen und Funktionen ist extrem unwahrscheinlich. Das Hauptproblem ist der Ursprung aller dafür benötigten Information. Lebensentstehung und Evolution können höchstens mit der Aktivität eines intelligenten Schöpfers plausibel gemacht werden.53 Hier kann nur kurz auf ein paar zentrale Punkte eingegangen werden.

4.1 Replikation

Wenn die Bedingungen für Leben richtig sind, muss dieses auch noch entstehen. Zuerst müssen die richtigen organischen Kleinmoleküle vorhanden sein, z.B. Biomonomere (Bausteine) wie Aminosäuren, dann die richtigen Verbindungen davon, Biopolymere (Ketten), die dann ein selbstreplizierendes System bilden müssen. Ein in diesem Bereich führender Forscher, Leslie Orgel, hat sich kürzlich folgendermassen dazu geäussert:54

Es gibt drei hauptsächliche rivalisierende Theorien für die präbiotische Herkunft von Biomonomeren [1. stark reduzierende Uratmosphäre, 2. Meteoriten, 3. Tiefsee-Schlote]. Keine ist überzeugend, und keine kann ohne weiteres verworfen werden. ...

Bezüglich der Evolution eines selbstreplizierenden Systems ist die Situation weniger befriedigend; es gibt mindestens so viele Vermutungen, aber praktisch keinerlei experimentelle Fakten. ...

[Es existiert] eine sehr grosse Lücke zwischen der Komplexität von Molekülen, die ohne weiteres synthetisiert werden können, wenn man die [vermutete] Chemie der frühen Erde simuliert, und den Molekülen, von denen man weiss, dass sie potentiell replizierende Informationsstrukturen bilden. ...

Es gibt verschiedene alternative Thesen für eine mögliche Selbstorganisation eines selbstreplizierenden Systems aus präbiotischem Material, aber alle, die gut ausformuliert sind, basieren auf chemisch problematischen Synthesen. ...

Auf andere wichtige Aspekte der präbiotischen Chemie bin ich hier nicht eingegangen (z.B. den Ursprung der Chiralität, die organische Chemie auf anderen Planeten, die Bildung von Membranen). ...

Die bekannte Chemie ergibt keinerlei Grundlage zu der Annahme, dass lange Reaktionssequenzen sich spontan organisieren könnten – aber allen Grund zu glauben, dass sie es nicht können.

Orgel hat auch den Meisterdetektiv Sherlock Holmes bemüht, um das Rätsel der Lebensentstehung abzuklären. In einer Zeichnung55 sieht man ihn mit einer grossen Lupe eine Doppelhelix inspizieren. Offenbar hat sie Holmes' Gehilfe Watson entdeckt. Holmes lobt ihn für diesen hervorragenden Ansatz und heisst ihn dann einen Spiegel holen, denn leider ist die Doppelhelix eine Linksschraube statt der benötigten Rechtsschraube. Die Frage der Entstehung der richtigen Händigkeit (Chiralität) der Biomoleküle ist eines der vielen noch ungelösten Probleme.

Auch Francis Crick, der mit James Watson zusammen für die Aufklärung der DNS-Struktur (die berühmte Doppelhelix) den Nobelpreis erhielt, hat Schwierigkeiten, sich eine spontane Lebensentstehung vorzustellen (dieser Watson ist aber nicht Sherlock Holmes' Gehilfe ...). Im nachfolgenden Auszug aus einem Interview mit Crick stehen seine eigenen Worte zwischen Anführungszeichen:56

„Eine der erschreckendsten Tatsachen in der westlichen Welt, und besonders in diesem Land [USA], ist die Anzahl Leute, die an Dinge glauben, die wissenschaftlich falsch sind,“ sagt [Crick]. „Wenn mir jemand sagt, die Erde sei weniger als 10'000 Jahre alt, sollte er meiner Meinung nach einen Psychiater konsultieren.“

Einige Wissenschaftler sagten 1981 dasselbe von Crick, nachdem Life Itself [Das Leben selbst] erschienen war, ein Buch über den Ursprung des Lebens, das er zusammen mit Leslie E. Orgel vom Salk-Institut verfasste. Das Buch schlug vor, die Samen des Lebens seien in einem Raumschiff zur Erde gesandt worden, das von Wesen auf einem anderen Planeten gestartet worden sei. Die Theorie, genannt gezielte Panspermie, wurde von anderen Wissenschaftlern verspottet, und Orgel selbst beschrieb sie kürzlich als „eine Art Witz.“

Aber Crick besteht darauf, dass angesichts der Schwächen aller Theorien irdischer Lebensentstehung gezielte Panspermie immer noch als „eine ernsthafte Möglichkeit“ betrachtet werden sollte.

Crick hat die Wahrscheinlichkeit der spontanen Lebensentstehung auf 10-1000 geschätzt. Wenn er aber statt der Erde das ganze Universum zu Hilfe nimmt, was er mit der Theorie der Panspermie offenbar beabsichtigte, gewinnt er, wie gezeigt worden ist, einen Faktor von 1022, einen Tropfen auf einen heissen Stein. Im Gegensatz zu Hoyle wagt es Crick nicht, das Urknall-Modell infrage zu stellen.

Was bringt führende Fachleute dazu, sich vor ihren Kollegen derart zu exponieren? Es sind etablierte Forscher, die ihren Erfolg im Leben nicht mehr verlieren können. Sie können es sich leisten, offen auf die riesigen Probleme der Theorie der spontanen Lebensentstehung hinzuweisen, während andere damit ihre Karriere aufs Spiel setzen würden!

Orgel nennt zwar die Panspermie „eine Art Witz“, aber seine ernsthaften Aussagen zur Chemie der Lebensentstehung lassen keinerlei Zweifel daran aufkommen, dass vorläufig trotz intensiver Tätigkeit vieler Forschergruppen während vier Jahrzehnten noch keinerlei Aussicht auf eine Lösung des Problems besteht.

4.2 Eine RNS-Welt?


Heute enthält eine minimale lebensfähige Zelle (1) Deoxyribonukleinsäure (DNS) als Genom (Erbmaterial), das alle benötigte Information speichert, (2) diverse Arten von Ribonukleinsäuren (RNS), die nach Überschreibung der Information aus der DNS der Übersetzung derselben in Protein-Sequenzen dienen, und (3) Proteine, welche als Enzyme die DNS-Replikation, Überschreibung in RNS und Übersetzung in Proteine katalysieren (Abb. 21). Es braucht Proteine, um Nukleinsäuren zu synthetisieren, aber Nukleinsäuren, um Proteine zu codieren. Was war früher da, Proteine oder Nukleinsäuren – das Huhn oder das Ei?

Es gibt gewisse Viren, deren Genom aus RNS besteht (sie vermehren sich aber nur in vollständigen Zellen mit DNS-Genom). Zudem hat man RNS mit gewissen katalytischen Aktivitäten entdeckt.

So glaubt man nun, es habe einmal eine RNS-Welt gegeben, in welcher RNS allein alle Funktionen der Replikation und Katalyse ausübte (Abb. 21). Leider ist man sich dabei zu wenig bewusst, dass dadurch die Anforderungen an diese RNS so hoch werden, dass eine spontane Entstehung dieser gesamten Funktionalität wieder höchst fragwürdig ist.

Das einfachste Urlebewesen, das am wenigsten Information benötigte, hätte nur aus einem einzigen RNS-Molekül bestanden. Mehrere Moleküle müssten ja zusammengehalten werden duch zusätzliche Organisation, z.B. eine Membran, die weitere Information voraussetzt. Die erste RNS müsste eine RNS-Replikase-Funktion ausgeübt haben, und sämtliche nötigen energiereichen Bausteine müssten zu ihrer Synthese reichlich zur Verfügung gestanden haben. Eine Ur-Replikase müsste sehr einfach gewesen sein, also auch fehlerhaft funktioniert haben. Eine solche Replikase könnte aber nur eine sehr kurze RNS replizieren, ohne dass eine Fehlerkatastrophe einträte,57 bei welcher die RNS mit jeder Replikation mehr Fehler enthielte, bis sie (als Replikase) nicht mehr funktionieren würde. Der einzige mögliche Evolutionsdruck (natürliche Selektion) hätte aber darin bestanden, die RNS-Replikation schneller zu Ende zu bringen. Am einfachsten ist dies, wenn die zu replizierende RNS kürzer wird 58 und damit weniger Information enthält. Die Evolution käme damit zum Stillstand. Einen Ausweg aus dieser Sackgasse gäbe es erst, wenn das Genom durch eine Membran von der Umwelt abgeschirmt wäre. Dann könnte die natürliche Selektion am gesamten „Organismus“ angreifen statt direkt an einem Genom-Molekül. Das Gesamtpaket wäre damit aber sehr viel komplexer.



4.3 Evolution einer neuen Funktionalität


Wieviel Information braucht es für eine biologische Aktivität? Konnte sie spontan, d.h. zufällig entstehen? Am Beispiel von Cytochrom c untersuchte Hubert Yockey diese Frage. 59 Cytochrom c ist ein kleines Enzym aus der Atmungskette, mit nur gut 100 Aminosäuren. In Abb. 22 sind die Aminosäuren als kleine Kugeln dargestellt, durch Stäbe verbunden.60 Die Aminosäurenkette gruppiert sich um das im Häminmolekül eingebettete Eisenatom, welches das katalytisch aktive Zentrum darstellt.

Die beobachtete Variabilität bekannter Cytochrome c in vielen verschiedenen biologischen Arten ist durch die Tabelle in Abb. 22 angegeben. Die Spalte „Variabilität“ gibt die Anzahl verschiedener Aminosäuren, die an einer gegebenen Position in Cytochrom c vorkommen können. Die Spalte „gefunden“ zeigt die Anzahl Positionen in Cytochrom c, welche die entsprechende Variabilität aufweisen. Chemisch ähnliche Aminosäuren können sich an einer gegebenen Position in einem Protein gelegentlich ohne grossen Aktivitätsverlust ersetzen (wenigstens wenn man allfällige artspezifische Erfordernisse oder Optimierung ignoriert). Als optimistische Annahme gibt daher die Spalte „verwendet“ die in diesem Sinne erweiterte Variabilität an, welche für die Wahrscheinlichkeitsberechnung verwendet wurde. Gefunden wurden also Variabilitäten von 1 bis 10, verwendet solche bis 16. An 27 von 101 Aminosäurepositionen weisen also alle Cytochrome c jeweils dieselbe Aminosäure auf (in der Grafik schwarz gekennzeichnet), offenbar weil sie absolut erforderlich sind für die Funktionalität des Enzyms.

Daraus berechnet sich die Anzahl verschiedener Cytochrome c, die vermutlich aktiv wären: 4 x 1061. Dabei wird angenommen, dass weder das Ersetzen einer Aminosäure an einer gegebenen Position durch eine chemisch ähnliche, noch beliebige Kombinationen zulässiger Besetzungen irgendeinen Aktivitätsverlust ergeben. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass irgendeines dieser vielen theoretisch möglichen Cytochrome c durch reine Zufallsprozesse entsteht, ist trotzdem nur 2 x 10-65, also viel zu klein, als dass eine spontane Entstehung vernünftigerweise erwartet werden dürfte.

Könnte es vielleicht in den frühesten Organismen viel einfachere oder variablere Proteine gegeben haben, die eine höhere Entstehungswahrscheinlichkeit aufweisen, und dennoch eine gewisse minimale Aktivität zeigten? Eine solche Minimalaktivität müsste definitionsgemäss zunächst rein zufällig entstehen, bevor die natürliche Selektion angreifen und die darwinsche Evolution für dieses Enzym funktionieren könnte. So 20-30 spezifische Aminosäuren-Besetzungen (die richtige Aminosäure am richtigen Ort) scheint heute für eine spezifische Aktivität üblich zu sein (auch für Ribonukleasen wurde eine ähnliche Anforderung gezeigt).

Wenn man nur eine neue Teilfunktion betrachtet, z.B. in verschiedenen Umgebungen verwendete Hämoglobine oder Lysozyme, scheinen etwa 5 spezifische Aminosäuren-Ersetzungen erforderlich zu sein, um die gleiche Enzymaktivität an ein neues Umfeld anzupassen. Könnte ein neues Enzym allenfalls mit 4-5 spezifischen Besetzungen auskommen? Natürlich weiss man dies nicht, denn es gibt heute keine „primitiven“ Enzyme mehr.

Aber man könnte die Frage umkehren. Wieviele spezifische Aminosäuren-Ersetzungen (ausgehend von einer Sequenz ohne die betrachtete Aktivität) kann man einem Zufallspfad ohne natürliche Selektion zumuten? Eine Modellrechnung zeigt, dass dies nicht mehr als zwei sein können!

Tab. 5. Modellrechnung für spontane Entstehung eines minimalen Enzyms

Bekannte Daten: Modellrechnung:
3,05 Codons pro Aminosäure
2,16 Mutationen pro Aminosäure-Ersetzung (geometrisches Mittel)

1 Mutation pro 108 replizierte Nukleotide

r = 1 / [3,05 (3x10-8)2,16] = 5,8x1015
Nukleotid-Replikationen im Mittel
für 1 spezifische Aminosäure-Ersetzung
1016 Mol C pro Jahr umgesetzt
in heutiger Biosphäre
1014 Bakterien pro Mol C

4,7x106 Nukleotidpaare pro Bakterium

R = 1016 x 1014 x 4,7x106 = 4,7x1036
Nukleotid-Replikationen pro Jahr
maximal möglich auf der Erde
Anzahl spezifische Aminosäure-Ersetzungen
(ohne Selektion
der Zwischenstufen) benötigte Anzahl Nukleotid-Replikationen mittlere Wartezeit für 1 Treffer mittlere Anzahl Treffer in
300 Millionen Jahren
s = rs = (rs) / R = 3x108xR/(rs) =
1 5,8x1015 4x10-14 Sekunden 2x1029
2 3,4x1031 4 Minuten 4x1013
3 2,0x1047 40 Milliarden Jahre 0,007
4 1,2x1063 2x1026 Jahre 10-18
5 6,7x1078 1042 Jahre 2x10-34
Diese Modellrechnung (Tab. 5) setzt extrem optimistische Bedingungen voraus. Wenn wir die gesamte Biomasse der Erde Proteine machen und mutieren lassen, und zwar in den effizientesten Synthesemaschinen, die wir kennen, Bakterien, dürfen wir alle 4 Minuten damit rechnen, irgendwo auf der Erde eine neue, spezifische Kombination von 2 Aminosäure-Besetzungen zu finden. Wenn es aber eine Kombination von 3 spezifischen Besetzungen sein muss, brauchen wir 40 Milliarden Jahre – die wir sicher nicht zur Verfügung haben! Die ersten Organismen müssen in weniger als 300 Millionen Jahren entstanden sein, und ohne bereits vorhandene „Synthesemaschinen“!

Die Tab. 6 fasst das Argument für die Unwahrscheinlichkeit der spontanen Entstehung einer minimalen Information für eine biologische Funktion nochmals zusammen. Es basiert auf der Annahme, dass der darwinsche Evolutionsmechanismus richtig ist, d.h. dass biologische Strukturen zufälligen Mutationen unterworfen sind, und dass die natürliche Selektion zum Überleben der besser funktionierenden Organismen, Strukturen, Enzyme usw. führt. Eine Folge davon ist, dass für jede grundsätzlich neue Struktur oder Funktion die Minimalversion, welche gerade erst ein wenig aktiv ist, durch einen ausschliesslich zufälligen Mutationenweg, ohne jegliche natürliche Selektion erreicht werden muss. Jede Proteinsequenz kann grundsätzlich aus jeder anderen durch eine Reihe von Mutationen erzeugt werden, und die mittlere Wahrscheinlichkeit für das Entstehen einer bestimmten Kombination essentieller Aminosäurenbesetzungen lässt sich berechnen.

Es darf also nicht einmal für bereits funktionierende Organismen und funktionierende natürliche Selektion erwartet werden, dass die Minimalkonfiguration für eine einzige biologische Funktionalität spontan entstanden ist. Wie soll da der erste lebensfähige Organismus spontan entstanden sein, bevor die darwinschen Evolutionsmechanismen funktionieren konnten? Und wie sollen viele Tausende von grundsätzlich verschiedenen, voneinander unabhängigen biologischen Funktionen der gesamten Biosphäre nachher spontan entstanden sein?

Tab. 6. Spontane Entstehung einer Minimalkonfiguration

Anforderungen an bekannte Enzyme:

Wieviele spezifische Besetzungen (richtiger Baustein am richtigen Ort) sind nötig?

Invariante Positionen: ~ 30 Aminosäuren (Cytochrom c, Ribonuklease; 25 %)
Spezifische Teilfunktion: ~ 5 Aminosäuren (Hämoglobin, Lysozym; 3-5 %)

Minimalkonfiguration:

Natürliche Selektion kann erst angreifen, wenn minimale Aktivität vorhanden ist.
Vorher reiner Zufallspfad für „Evolution“.

Wie gross kann eine zufällig erreichbare Minimalkonfiguration höchstens sein?

ganzer Biosphären-Umsatz in Bakterien (schnellst-replizierende Organismen):
gibt 5 x 1036 Nukleotid-Replikationen pro Jahr

1 Mutation pro 108 replizierte Nukleotide:
braucht 6 x 1015 Nukleotidreplikationen für 1 spezifische Aminosäuren-Ersetzung

daher sind zu erwarten (1 Mal irgendwo auf der Erde):
2 spezifische Aminosäure-Ersetzungen: alle 4 Minuten
3 alle 40 Milliarden Jahre

ð Minimalkonfiguration kann also nicht zufällig entstehen!

5. Schlussfolgerung – welches anthropische Prinzip?

5.1 Befund

Das Universum ist äusserst spezifisch für die Möglichkeit von intelligentem Leben auf der Erde eingerichtet. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies durch spontane Prozesse geschah, ist verschwindend klein.

5.2 Zwei ungeeignete Erklärungsversuche

Notwendigkeit? – Das „Starke Anthropische Prinzip“:

„Das Universum musste sich zwangsweise so entwickeln,
dass intelligentes Leben entstehen konnte.“

· Kaum ein Wissenschaftler wird diese Behauptung akzeptieren.

Zufall? – Das „Schwache Anthropische Prinzip“:

„Wenn das Universum sich nicht so entwickelt hätte,
dass intelligentes Leben entstehen konnte,
wäre niemand da, um sich darüber zu wundern.“

· Dies erklärt überhaupt nichts.

· Kaum ein Wissenschaftler wird Vorgänge mit extrem kleinen Wahrscheinlichkeiten als Erklärung akzeptieren.

· Man spekuliert deshalb mit unendlich vielen Universen. Dann dürfte man erwarten, dass eines davon die unwahrscheinliche Kombination Leben ermöglichender Parameter aufweist. Andere Universen sind aber grundsätzlich jenseits jeglicher Erkenntnismöglichkeit.

· Ockhams Prinzip, „Erklärungselemente nicht über das Nötige hinaus vermehren!“ bezeichnet solche ad-hoc-Erklärungen als sinnlos.

5.3 Eine sinnvolle Erklärung

Intelligente Planung: – Das „Intelligente Anthropische Prinzip“:

· Dass ein allmächtiger, intelligenter Schöpfer das Universum, die Erde und das Leben geplant, erschaffen und entwickelt hat, bleibt die einzige Erklärung, die sowohl rational als auch einfach ist.

Im Zusammenhang mit einer solchen Erklärung besteht die Gefahr verschiedener Missverständnisse, zu denen hier kurz Stellung genommen werden soll. Aufgrund heutiger wissenschaftlicher Erkenntnisse wird hier ein „allmächtiger, intelligenter Schöpfer“ postuliert. Der in der Bibel offenbarte Gott ist dies, aber er ist noch viel mehr. Seine transzendente Realität ist aber menschlicher Erkenntnis nicht ohne die Offenbarung zugänglich. Im Folgenden ist der Einfachheit halber einfach von „Gott“ die Rede, obwohl in diesem Zusammenhang genau genommen „der allmächtige, intelligente Schöpfer“ gesagt werden müsste (ausser, wo ausdrücklich Offenbarung erwähnt wird, wobei die biblische Offenbarung gemeint ist).

Es wird nicht postuliert, Gott habe auf mirakulöse Art alles erschaffen, und die Wissenschaft könne daher nicht ausfindig machen, wie alles entstanden sei. Natürlich wäre es Gott ein Leichtes, so zu erschaffen, aber es bestehen keinerlei Anhaltspunkte dafür, dass dies seiner Methode entspricht.
Es wird nicht postuliert, dass Gott ein Universum erschaffen habe und seither immer wieder in tausenderlei Bereichen „interveniere“. Diese Ansicht trennt fälschlicherweise auf in Ereignisse, die Gottes Tätigkeit zuzuschreiben seien, und andere Ereignisse, die ohne Gottes „Eingreifen“ eintreten oder ablaufen würden.
Es wäre falsch anzunehmen, dass es ein Geschehen gebe, das nicht unter Gottes Kontrolle stehe. Er ist nicht nur Schöpfer, sondern auch Erhalter, in dem Sinne, dass die fortdauernde Existenz seiner ganzen Schöpfung (d.h. von allem, was ausserhalb Gottes selbst existiert) jeden Augenblick von seinem aktiven Willen und Tun abhängig ist.
Es wird aber nicht postuliert, dass Gott für restlos alles verantwortlich wäre, so dass die ganze Schöpfung und alle Geschöpfe reine Automaten oder Marionetten wären. Es existieren Geschöpfe mit echt freiem Willen – dies ist, was wir Menschen über uns selbst durch unmittelbares Bewusstsein und Erfahren wissen. Gemäss der Offenbarung gehören auch Geistwesen, also Engel (und gefallene Engel), zu den Geschöpfen mit freiem Willen. Dieser freie Wille wird gemäss Gottes Schöpfungsanordnungen und allenfalls Einschränkungen ausgeübt. Er ist untrennbar verbunden mit der entsprechenden echten Verantwortung.
Es wird nicht postuliert, dass es keine Zufallsereignisse gebe, sofern der Zufall im wissenschaftlichen Sinne der stochastischen Theorie gemeint ist, und nicht im Sinne einer Weltanschauung. Es steht Gott frei, Elementar- oder andere Ereignisse entweder im Einzelnen auszuführen, oder eine Verteilung möglicher Ereignisse zu spezifizieren (vielleicht in der Art der Programmierung eines Zufallsgenerators). Schöpfungsspezifikationen sind auf jeder Ebene des Detaillierungsgrades möglich, auch dort, wo die Wissenschaft nicht mehr mitkommt, wie z.B. bei Elementarereignissen in der Quantenmechanik, innerhalb der Heisenbergschen Unschärferelation, des radioaktiven Zerfalls, der DNS-Mutationen usw.
Es wird nicht postuliert, dass es keine Entwicklung oder Evolution gebe. Entwicklungen auf den verschiedensten Ebenen sind integrierender Teil der Schöpfung und der Geschichte. Wo aber von spontaner biologischer Evolution die Rede ist, darf nicht vergessen werden, dass diese Theorie eine Folgerung aus heutigen Beobachtungen der Ergebnisse der Geschichte des Lebens ist. Die darwinsche Erklärung ist aber insofern ungenügend, als eine Erklärung der Herkunft biologischer Information bis heute völlig fehlt. Zufallsprozesse allein sind für die Herkunft komplexer Strukturen absolut ungeeignet. Doch ist dies nur in einem atheistischen System problematisch, nicht aber, wenn Gott die Information liefert.
Es wäre falsch anzunehmen, ein Ereignis, eine Entwicklung, ein Organismus könne nur entweder ein Produkt von Gottes Aktivität oder ein reines Zufallsprodukt sein. Es gibt wohl Wunder, die ausschliesslich Gottes Tun darstellen, aber keine „natürlichen“ Prozesse oder Produkte, die nicht ebenso aus Gottes schöpferischer Aktivität resultieren. Dabei ist es durchaus möglich, dass Gott in ein „natürlich“ entstandenes Geschöpf eine Dimension wie Seele (bei höheren Tieren, beim Menschen) und Geist (beim Menschen) hineingibt, die wissenschaftlich nicht vollständig oder überhaupt nicht erforschbar sind. Der Ursprung der seelischen und der geistlichen Dimension sind ebenso reine göttliche Schöpfungswunder wie der „Urknall“ des physikalischen Universums.
Es wäre falsch anzunehmen, Geschöpfe, denen Gott zusätzliche Dimensionen wie Seele und Geist gegeben hat, seien aus trennbaren Komponenten zusammengesetzt. Sie sind eine leiblich-seelisch-geistliche Einheit. Seele und Geist manifestieren sich auch in leiblichen Bereichen. Diese Manifestationen können dann natürlich auch wissenschaftlich erforscht – aber nicht restlos „erklärt“ werden.
Es wird nicht postuliert, der Nachweis transastronomischer Unwahrscheinlichkeiten für sehr viele Zusammenhänge in der Geschichte des Universums, der Erde und des Lebens stelle einen wissenschaftlichen Beweis Gottes dar. Auf der wissenschaftlichen Ebene sind wir grundsätzlich auf Wahrscheinlichkeiten angewiesen, die nie eine hundertprozentige Sicherheit erreichen. Aus der Offenbarung erscheint es sogar plausibel, dass es zur göttlich gewollten Freiheit des Menschen gehört, aus freiem Willen an Gott glauben oder nicht glauben zu können. Dies würde jede Möglichkeit eines wissenschaftlichen Gottesbeweises grundsätzlich ausschliessen. Es ist anzunehmen, dass Gott bei der Erschaffung des Universums und unserer ganzen Realität diese Freiheit bereits vorgeplant hat.
Es ist also durchaus möglich, die neuesten Befunde naturwissenschaftlicher Forschungsbereiche von der Kosmologie bis zur Molekularbiologie mit der biblischen Sicht der Schöpfung zu verbinden. Dies kann zu Interpretationen führen, die nicht nur den gesicherten Befunden aus beiden „Informationsquellen“ entsprechen, sondern rationaler, widerspruchsfreier, umfassender und sinnvoller sind als die gängigen atheistischen Mythen. Es ist kürzlich auch gezeigt worden, dass eine Lesung des biblischen Schöpfungsberichts möglich ist, die mit den heutigen Erkenntnissen der Naturwissenschaft harmoniert, sofern man den hebräischen Urtext zugrundelegt, statt traditioneller Übersetzungen und Deutungen.61

Anhang

Tab. A1. Feinabstimmung des Universums für bewohnbare Planeten
(links stehen die Parameter, rechts die davon beeinflussten Systeme)

1. Anzahl wirksamer Dimensionen im frühen Universum (11) Quantenmechanik + Relativität

2. Anzahl wirksamer Dimensionen im heutigen Universum (4) stabile Umlaufbahnen

3. anfänglicher Überschuss v.Nukleonen über Antinukleonen Materie/Strahlung für Planeten

4. Zerfallsgeschwindigkeit der Protonen Materie/Strahlung für Leben

5. Konstante der starken Kernkraft stabile Atomkerne

6. Massendichte des Universums Deuterium- und Heliummenge

7. Konstante der schwachen Kernkraft Heliumbildung im Urknall

8. Neutrinomasse Galaxienbildung

9. Expansionsgeschwindigkeit des Universums Galaxienbildung

10. Inhomogenitäten im frühen Feuerball Galaxienbildung

11. Entropie des Universums Galaxien- und Sternbildung

12. Verhältnis der Masse exotischer zu normaler Materie Galaxien- und Sternbildung

13. anfängliche Gleichmässigkeit der Strahlung Galaxien- und Sternbildung

14. Verhältnis der Anzahl Protonen zur Anzahl Elektronen Kondensation grosser Objekte

15. Gravitationskonstante Sterntemperaturen

16. Verhältnis der elektromagnetischen Kraft zur Gravitation Sternmassen

17. Feinstrukturkonstante (Aufspaltung von Spektrallinien) Sternmassen

18. Lichtgeschwindigkeit Leuchtkraft der Sterne

19. Alter des Universums stabil brennende Sterne

20. kosmologische Konstante langsam brennende Sterne

21. mittlere Distanz zwischen Galaxienhaufen Sternbahnen, Planetensysteme

22. mittlere Distanz zwischen Galaxien Sternbahnen, Planetensysteme

23. mittlere Distanz zwischen Sternen feste Planeten, stabile Bahnen

24. Supernova-Distanz, -Häufigkeit, -Zeit strahlungsarme feste Planeten

25. Verhältnis von Neutronenmasse zu Protonenmasse stabile Sterne, schwere Elem.

26. Zerfallsgeschwindigkeit von Be8 stabile Sterne, schwere Elem.

27. Grund-Energieniveau von He4 genügend C und O

28. Verhältnis der Kernenergie-Niveaux von C12 zu O16 genügend C und O

29. Doppelsysteme aus Weissen Zwergen: Häufigkeit, Zeit genug Fluor, stabile Planeten

30. Konstante der elektromagnetischen Kraft Stärke d.chemischen Bindung

31. Verhältnis von Elektronenmasse zu Protonenmasse Stärke d.chemischen Bindung

32. Grösse des relativistischen Dehnungsfaktors chemische Reaktionen

33. Polarität des Wassermoleküls stabiles Lebensmilieu

34. Grösse der Heisenbergschen Unschärfe O2-Transport, stabile Elemente

Tab. A2. Kritische Parameter für das System Galaxie – Sonne – bewohnbare Erde
(nach dem Parameter stehen in Klammern die beeinflussten Systeme, rechts die geschätzte Wahrscheinlichkeit, dass der kritische Bereich zufällig getroffen wurde)

1. Ort der Galaxie (Störung durch schwere Galaxien und Galaxienhaufen) 0,1

2. Galaxiegrösse (Einströmgeschwindigkeit von Gas) 0,1

3. Galaxietyp (regelmässige Spiralgalaxie, Elemente, Strahlung) 0,1

4. Mittlerer Abstand des Sterns vom Galaxiezentrum (Sterndichte, Elemente) 0,2

5. Exzentrizität der Sternbahn um das Galaxiezentrum 0,1

6. Mittlerer Abstand des Sterns von der Galaxieebene (Strahlung vom Galaxiekern) 0,1

7. Extremabstände des Sterns von der Galaxieebene 0,1

8. Abstand des Sterns vom nächsten Spiralarm (Sterndichte, Stabilität, Elemente) 0,1

9. Abstand des Sterns von der letzten Supernova-Explosion (Elemente, Stabilität) 0,01

10. Zeit der Sternbildung seit der letzten Supernova-Explosion (Elemente, Stabilität) 0,01

11. Zeit der Sternbildung seit dem Urknall (Elemente, stabiles Brennen) 0,2

12. Gehalt des Sterns an schwereren Elementen 0,05

13. Weisse Zwerg-Doppelsterne, Art, Häufigkeit, Abstände (Fluorbildung) 0,01

14. Einzelstern statt Stern in gekoppeltem Mehrsterne-System (stabile Planetenbahn) 0,2

15. Masse des Sterns (Leuchtkraft, Dauer, Stabilität, Jahreslänge, Photosynthese) 0,001

16. Sternfarbe (Photosynthese) 0,4

17. Alter des Sterns (stabiles Brennen) 0,4

18. Leuchtkraft des Sterns im Verhältnis zur Entwicklung des Lebens (Temp.konst.) 0,0001

19. Wasserstoffionen-Produktion (Bildung von Planeten mit Lebens-Chemie) 0,1

20. Häufigkeit und Abstände von Supernova-Explosionen (Elemente, Strahlung) 0,01

21. Abstand des Planeten vom Stern (stabiler Wasserkreislauf) 0,001

22. Neigung der Planetenbahn (Temperaturspannweite) 0,5

23. Exzentrizität der Planetenbahn (jahreszeitliche Temperaturspannweite) 0,3

24. Nähe und Masse Jupiters (Schutz vor Kollisionen ohne Bahnstörungen) 0,01

25. Exzentrizitäten der grossen Planeten (Störung der Erdbahn) 0,1

26. Bahn-Instabilitäten der grossen Planeten (Störung der Erdbahn) 0,1

27. Änderung der Bahnen der grossen Planeten (Kollisionsschutz, stabile Erdbahn) 0,1

28. Masse des Körpers, der mit der Urerde zusammenstiess (Erdbahn, Atmosphäre) 0,002

29. Zeitpunkt des Zusammenstosses mit der Urerde (Atmosphäre, Strahlung) 0,05

30. Rotationsperiode des Planeten (Tagestemperaturspanne, Windstärken) 0,1

31. Änderungsgeschwindigkeit der Rotationsperiode des Planeten (höheres Leben) 0,05

32. Schwerkraft an der Planetenoberfläche (Verlust wichtiger Kleinmoleküle) 0,001

33. Gezeitenkraft (stabiles Klima, Nährstoffzirkulation, Strahlenschutz) 0,1

34. Mittlere Dichte des Planeten (Krustenbildung, Magnetfeld) 0,1

35. Neigung der Planetenachse (Temperaturunterschiede, diverse Lebensformen) 0,3

36. Änderungsgeschwindigkeit der Neigung der Planetenachse (Klimawechsel) 0,01

37. Magnetfeld (Strahlenschutz ohne Magnetstürme) 0,01

38. Viskosität des Erdkerns an der Kerngrenze (tektonische Zirkulation) 0,01

39. Menge an Schwefel im Planetenkern (Bildung des soliden Erdkerns, Magnetfeld) 0,1

40. Kollisionshäufigkeit mit Asteroiden und Kometen (Elemente, ökolog.Gleichgew.) 0,1

41. Änderung der Kollisionshäufigkeit mit Asteroiden und Kometen 0,1

42. Änderungsgeschwindigkeit der Kollisionshäufigkeit mit Asteroiden und Kometen 0,1

43. Regelmässigkeit des Kometen-Einfalls (Stabilität ökolog.Gleichgewicht) 0,1

44. Verhältnis zwischen Biomasse und Einfallhäufigkeit von Kometen (Treibhaus) 0,01

45. Tektonische Aktivität (Nährstoffzirkulation, Erdbebenkatastrophen) 0,1

46. Vulkanische Aktivität (Nährstoff-, Wasserzirkulation, vulkanische Katastrophen) 0,1

47. Abnahmegeschwindigkeit der tektonischen Aktivität (Nährstoffe, Landstabilität) 0,1

48. Abnahmegeschwindigkeit der vulkanischen Aktivität (Nährstoffe, Landstabilität) 0,1

49. Krustendicke (freier Sauerstoff bei stabilen Landmassen) 0,01

50. Anteil der Ozeane an der Gesamtoberfläche (Vielfalt der Lebensformen) 0,2

51. Änderungsgeschwindigkeit des Ozeananteils an Gesamtoberfläche (höh.Leben) 0,1

52. Globale Verteilung der Kontinente (Klimastabilität) 0,3

53. Albedo (Anteil reflektierter Strahlung für Temperaturstabilität) 0,1

54. Häufigkeit und Umfang der Eiszeiten (fruchtbare Täler, keine Globalvereisung) 0,1

55. Druck der Atmosphäre (Wasserkreislauf, Sonneneinstrahlung) 0,1

56. Transparenz der Atmosphäre (richtiges Spektrum der Sonneneinstrahlung) 0,01

57. Häufigkeit elektrischer Entladungen in der Atmosphäre (N2-Fixierung, Brände) 0,1

58. Häufigkeit und Umfang der Wald- und Präriebrände (N2-Fixierung, pflanzl.Prod.) 0,01

59. Temperaturgradient in der Atmosphäre (Klima) 0,01

60. Kohlendioxydgehalt der Atmosphäre (Photosynthese ohne Treibhausatmosph.) 0,01

61. Sauerstoffgehalt der Atmosphäre (Atmung ohne Brandkatastrophen) 0,01

62. Eisenmenge in den Ozeanen (Nährstoffregulation ohne Vergiftung) 0,1

63. Chlorgehalt der Atmosphäre (Erosion, Umwelt-Säuregrad, Stoffwechselrate) 0,1

64. Troposphärische Ozonmenge (Atmung, pflanzliche Produktivität, Luftreinheit) 0,01

65. Stratosphärische Ozonmenge (Strahlungsschutz, Vitamine, Pflanzenproduktion) 0,01

66. Mesosphärische Ozonmenge (Zirkulation und Chemie atmosphärischer Gase) 0,01

67. Wasserdampfgehalt der Atmosphäre (Regenmenge ohne Treibhausatmosph.) 0,01

68. Sauerstoff-Stickstoff-Verhältnis in der Atmosphäre (höhere Lebensfunktionen) 0,1

69. Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre 0,01

70. Bodenmineralisierung (Vielfalt und Komplexität der Lebensformen) 0,1

71. Menge an Meersalz-Ärosolen (Wolkenbildung, Wasserkreislauf, Temperatur) 0,1

72. Menge an zersetzenden Bakterien im Boden (Nährstoffkreislauf) 0,01

73. Menge an Wurzelgeflecht-Pilzen im Boden 0,01

74. Menge an nitrifizierenden Mikroben im Boden (N2-Fixierung, pflanzl.Produktion) 0,01

75. Menge an Schwefel im Boden (Proteine, Stickstoffzyklus ohne Vergiftung) 0,1