Wie die Gesetze der Energieerhaltung unser Leben im Weltraum gleichzeitig beeinträchtigen und verbessern

Wie die Gesetze der Energieerhaltung das Leben im Universum sowohl verderben als auch fördern - INHALT

1. Wie ist es möglich, dass diese Maschine effizienter ist als eine andere?
2. Drei Grundsätze zu den Eigenschaften thermischer Prozesse
3. Wir können die Zeit nicht zurückdrehen
4. Langeweile passt sehr gut zu uns im Weltraum

Wie ist es möglich, dass diese Maschine effizienter ist als eine andere?

Das grundlegende Gesetz, das Materie und Energie in unserem Universum regelt, besagt, dass nichts entsteht oder aufhört zu existieren. Es gibt eigentlich keinen Unterschied zwischen Masse und Energie, da Einsteins berühmte Gleichung E = m ⸱ c² Materie ist eigentlich ein bestimmtes Kondensat von Energie, eine Form von Energie. Die Idee, dass Energie nicht entsteht und nicht vergeht, dass sie sich nur ständig verändert, mag uns einfach erscheinen, aber Mitte des 19. Jahrhunderts war sie eine komplette Revolution, und der Schöpfer dieser Idee, Julius Robert Mayer, stieß auf Widerstand und Unverständnis.

Das ganze Interesse an der Thermodynamik begann 1821, als der junge französische Physiker Nicolas Carnot auf eine Dampfmaschine stieß - und sich dafür interessierte, warum deutsche Dampfmaschinen effizienter waren als französische. Im Jahr 1824 veröffentlichte er "Betrachtungen über die Antriebskraft des Feuers", in denen er zum ersten Mal das beschrieb, was wir als Carnot-Zyklus kennen - und es wurde zur Grundlage für die effiziente Konstruktion von Dampf- und Verbrennungsmotoren, aber eigentlich aller Maschinen, die mit der Expansion und der mechanischen Energie von Gasen arbeiten.

Eine Reihe von Wissenschaftlern hat sich mit der Thermodynamik befasst und sie nach und nach verallgemeinert, bis schließlich der deutsche Physiker Max Planck sie auf das Problem der Schwarzkörperstrahlung verallgemeinerte und die Thermodynamik in den Bereich der Quantentheorie brachte. Es war wichtig, weil plötzlich klar wurde, dass es in der Thermodynamik nicht um Dampf geht, der Kolben bewegt, sondern um die gesamte Energieumwandlung im Universum, um die Regeln, die dafür gelten - und um den ständigen Übergang von Zuständen mit hoher nutzbarer potenzieller Energie zu Zuständen, in denen die Energie so diffus und so chaotisch ist, dass sie nicht effizient genutzt werden kann.

Drei Grundsätze zu den Eigenschaften thermischer Prozesse

Es gibt drei Gesetze zur Erhaltung der Energie. Das erste besagt, dass Energie weder entsteht noch vergeht. Letzteres besagt, dass sich Wärme spontan von wärmeren zu kälteren Körpern ausbreitet und nicht umgekehrt. Der dritte Gesetz besagt, dass wir, egal was wir tun, niemals den absoluten thermodynamischen Nullpunkt erreichen werden. Diese Gesetze sehen seltsam aus, aber sie sagen uns tatsächlich etwas sehr Wichtiges über das Universum, in dem wir leben. 

Wir beginnen mit dem dritten Gesetz der Thermodynamik. Der Gedanke, dass die Temperatur mit der Durchschnittsgeschwindigkeit der Teilchenbewegung zusammenhängt, führte William Thomson, bekannt als Lord Kelvin, zu einer für seine Zeit radikalen Schlussfolgerung: es muss eine Temperatur geben, bei der sich die Teilchen nicht mehr vollständig bewegen. Wenn das Universum geschlossen ist und es eine endliche Menge an Energie gibt, können wir mehr und mehr Energie aufwenden, um einen Ort auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen - aber da wir immer noch im selben Universum eingeschlossen sind und die Energie immer noch von den wärmeren Orten zu den kälteren Orten fließt, wird sich der Ort irgendwann einfach erwärmen. Das sich selbst ausdehnende Universum wird immer kälter werden, aber es wird nirgendwo den absoluten Nullpunkt erreichen. 

Das zweite Gesetz ist noch seltsamer. Warum geht die Wärme nur in eine Richtung und nicht in die andere? Die statistische Mechanik besagt, dass sich die Energie auf der Mikroebene überall hinbewegen kann, aber je größer die betrachteten Einheiten sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Energie im Durchschnitt von einem Ort, an dem viel Energie vorhanden ist, zu einem Ort mit wenig Energie wandert. Das ist eine reine Frage der Wahrscheinlichkeit - und dieselbe Wahrscheinlichkeit erklärt auch, warum es wahrscheinlicher ist, dass man bei einen Wurf Gläser zersmeisst, anstatt das sie sich spontan zusammenfalten würden. 

Um es klar zu sagen: die Gesetze der Mikrowelt verbieten nicht, dass sie sich nicht falten lässt. Bei einer großen Anzahl von Teilchen ist es jedoch höchst unwahrscheinlich, dass diese Ereignisse gleichzeitig stattfinden, so dass wir in der Makrowelt nicht spontan Gläser stapeln. Das gleiche Prinzip erklärt, warum sich die Dinge vom Geordneten zum Ungeordneten bewegen - und damit den so genannten Pfeil der Zeit erzeugen. 

Wir können die Zeit nicht zurückdrehen

Wir messen die Zeit im Universum, indem wir zwischen verschiedenen Zuständen unterscheiden. Da die Wahrscheinlichkeit großer Mengen von Ereignissen uns in eine Richtung führt, nehmen wir den Fluss der Zeit in eine Richtung wahr, obwohl in den Dimensionen der Mikrowelt theoretisch nichts den Fluss der Zeit in die entgegengesetzte Richtung verhindert. Nur in großen Einheiten geschehen Ereignisse in der Richtung der Wahrscheinlichkeit, nicht umgekehrt. Um eine Sekunde zurückzugehen, müssten wir für alle Teilchen genau eine Sekunde zurückgehen - und das ist höchst unwahrscheinlich, so dass etwas anderes wahrscheinlicher ist - und das wird uns wieder vorwärts bringen.

Die Konsequenz dieses Zeitverständnisses ist, dass in ferner Zukunft, wenn die Entropie des Universums am höchsten ist, die Teilchen zu weit voneinander entfernt sein werden und keine Wechselwirkungen mehr haben, es nicht mehr möglich sein wird, einzelne Momente voneinander zu unterscheiden - und der Pfeil der Zeit wird seine Richtung verlieren und die Zeit wird tatsächlich aufhören zu existieren, sie wird einfach dieselbe sein.

Habe ich gesagt, dass es in der Thermodynamik ungewöhnlich viele Wissenschaftler gibt, die Selbstmord begangen haben? Zum Glück leben wir in einer Zeit, in der das Universum noch voller Energie ist und wir noch viel Zeit haben, vielleicht das Zehnfache der Zeit, die seit seinem Beginn vergangen ist. Chaos und Energieumwandlung sind nicht nur destruktiv, sondern auch kreativ: indem sie Wasserstoff in schwere Elemente umwandelten, gaben die ersten Sternen der Chemie, der Biologie und dem komplexen Leben eine Chance, sich zu entwickeln. Die Tatsache, dass es heute weniger Riesensterne gibt, bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass eine Supernova-Explosion das Leben in ihrer Umgebung zerstört. 

Langeweile passt sehr gut zu uns im Weltraum

Heute leben wir in einer Zeit, in der das Universum überraschenderweise bewohnbarer ist als am Anfang, als es buchstäblich vor Energie explodierte und alles wieder und wieder zerstörte. Wir biologischen Wesen fühlen uns mit energiearmer Langeweile und einer relativ leeren kosmischen Umgebung, in der nichts Schreckliches passiert, wohler als mit der hochenergetischen Form des Universums in der Vergangenheit.

Plus: je kleiner der Stern ist, desto länger brennt er. Es ist also möglich, dass die große Zeit des Lebens und der Zivilisationen, die sich die Energie der langsam brennenden Sterne zunutze machen werden, noch bevorsteht. Zukünftige Zivilisationen leben vielleicht langsamer, aber viel länger und haben viel mehr schwere Elemente zur Verfügung - und sie könnten einen Zustand erreichen, in dem sie die Fusion kontrollieren und den verbleibenden Wasserstoff und das Helium im Weltraum viel langsamer und effizienter verbrennen können, als die Sternen es für sie tun würden. 

Wichtig ist, dass die Zivilisationen den so genannten "großen Filter" durchlaufen, d. h. dass sie sowohl die Gefahren ihrer eigenen Evolution als auch die Gefahren, die sie sich selbst schaffen, indem sie sich gegenseitig bekämpfen, ihre eigenen Ökosysteme zerstören und sich generell so verhalten, als hätten sie nicht viel Verstand. Obwohl die Thermodynamik nicht sehr optimistisch ist, was das Ende des Universums angeht, haben Zivilisationen, einschließlich unserer eigenen, das Potenzial, sich selbst viel schneller zu zerstören als das Universum es könnte. Das Universum hat es nicht eilig, es lässt uns reichlich Zeit, uns selbst und unsere Technologien weiterzuentwickeln - und sich vielleicht sogar mit ihnen zusammenzutun, um eine höhere und fortschrittlichere Lebensform zu erschaffen, die das Universum als einen viel besseren Ort zum Leben empfinden wird als wir.

Die Gesetze der Thermodynamik zeigen uns nicht nur die Grundregeln des Universums, sondern offenbaren auch die Tiefe seines Schicksals. Unsere Fähigkeit, diese Prinzipien zu verstehen, gibt uns die Möglichkeit, unsere Zukunft aktiv zu beeinflussen, die Technologie zu nutzen, um Grenzen zu überwinden und nachhaltigere Lebensweisen zu schaffen. Das Universum selbst schützt uns zwar nicht vor dem Aussterben, aber es gibt uns die Zeit und den Raum, unser Potenzial als Zivilisation auszuschöpfen und hoffentlich zur Schaffung von mehr nachhaltigem Leben im Universum beizutragen.