Atom

Ich erinnere mich nicht an das erste Mal, als ich ein Atom sah, aber ich erinnere mich gut an das erste Mal, als wir sie im Naturwissenschaftsunterricht behandelten, und sie faszinierten mich. Ihre Komplexität in den Zeichnungen, die man uns zeigte, und wie sie sich verbinden und Stoffe bilden konnten, weckten in mir den Wunsch, mehr zu erfahren: Ich las viel über sie, über ihren Platz im Periodensystem, ihre Teilchen, und sogar darüber, wie sie genutzt wurden, um die Energie in unseren Häusern zu erzeugen.

Viel später lernte ich programmieren, und ich wollte das, was ich in Unterricht und Büchern gelernt hatte, abbilden. Ich wollte ein Atom erschaffen, es sich bewegen sehen, jeden seiner Teile echt wirken lassen; sie kombinieren und vielleicht in einem Simulator etwas Größeres bauen. Aber es geschah etwas Unerwartetes: Ich war kein neugieriger Jugendlicher mehr, sondern ein Erwachsener mit einer anderen Denkweise. Also begann ich, von vorne zu recherchieren. Und das Ergebnis war überraschend: Nach Jahren des Lesens von Büchern zu diesem Thema reichten nur wenige Stunden kritischen Denkens aus, um Details aufzudecken, die ich zuvor nicht gesehen hatte.

Auch wenn die Überlieferungen stark variieren, führen fast alle auf die Antike zurück und ähneln ungefähr dieser hier:

"Man erzählt, dass die ersten Studien über Atome bis in die Antike zurückreichen, als die Gelehrtesten sich fragten, in wie viele Teile sich alles zerlegen ließe. Nach langem Studium kamen sie zu dem Schluss, dass sich die Dinge nur bis zu einer Grenze teilen ließen, an deren Ende so winzige und unwahrnehmbare Bruchstücke übrig blieben, dass sie diese Atome nannten."

Um die Idee zu erfassen, stellen Sie sich vor, Sie sind unglaublich gelangweilt und greifen nach irgendetwas Teilbarem —einem Zahnstocher, einem Blatt, einem Stück Obst— und teilen es in zwei Hälften. Und noch einmal. Und noch einmal… bis es einfach nicht mehr geht. Und da haben Sie es: ein Atom! …oder so lautete zumindest die Idee.

Könnten wir die Zeit anhalten und bei dieser Geschichte bleiben, könnte ich meinen Simulator ohne Probleme bauen: Ich müsste nur einen Apfel in zwei, in drei Teile… teilen lassen, eine Grenze festlegen, und fertig. Aber das war erst der Anfang der Geschichte.

Was folgt, ist das Nebenprodukt eines eingehenden Studiums historischer Fakten und Entdeckungen, die nach und nach das geformt haben, was wir heute Atome nennen.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts entwickelte der britische Chemiker John Dalton, in Ermangelung des Periodensystems und von Symbolen zur Darstellung der chemischen Elemente, sein eigenes System der grafischen Darstellung. Im Wesentlichen erstellte er eine Liste der bekannten Elemente —Gold, Silber, Kohlenstoff, Sauerstoff...— und zeichnete neben jedes davon einen Kreis mit einem unterschiedlichen Muster im Inneren, um sie voneinander unterscheiden zu können.

Dalton stellte sich Atome als winzige, feste, unteilbare Kugeln vor, die er gewöhnlich "letzte Teilchen" nannte, so etwas wie die Grenze der Materie, an der sie sich nicht mehr weiter teilen ließ. Seinem Werk gelang es, das abstrakte Konzept des Atoms endgültig mit dem chemischen Experiment zu verbinden, weshalb er historisch als Vater der Atomtheorie gilt.

Fast ein Jahrhundert später versuchte ein weiterer britischer Wissenschaftler namens Joseph John Thomson, die Natur der Kathodenstrahlen zu erklären, und argumentierte, dass diese aus winzigen, elektrizitätstragenden Korpuskeln bestünden. Um zu erklären, woher solche Teilchen stammten, behauptete er, sie lebten im Inneren der Atome, ähnlich den Rosinen in einem Pudding, und baute sogar eine Atomtheorie auf diesem Rosinenpudding auf.

Bemerkenswert ist, dass Thomson der Welt nie auch nur eines dieser Korpuskel zeigte: Er leitete sie aus seinen Experimenten ab, er sah sie nicht. Dennoch wurde die Idee 1906 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet und als Tatsache festgeschrieben. Von da an hörte das Atom auf, eine bescheidene Hypothese zu sein, und wurde zu etwas, das niemand mehr infrage zu stellen wagte. Diese Ereignisse veränderten die Spielregeln für die Wissenschaftler jener Zeit vollständig und machten das Atom und seine Theorien zu einem sicheren Sprungbrett zum Erfolg.

Jahre später verband auch der neuseeländische Wissenschaftler Ernest Rutherford seine Forschung zur Radioaktivität mit den Atomen und argumentierte, dass diese nicht statisch seien wie Thomsons Pudding, sondern eher einem miniaturisierten Sonnensystem ähnelten. Er fügte zudem ein neues Element hinzu —einen winzigen Kern, in dem fast die gesamte Masse konzentriert war— und baute darauf eine neue Atomtheorie auf.

Das neue planetarische Atommodell bestand aus einem sehr kleinen, positiv geladenen Kern, um den negativ geladene Teilchen (die Elektronen) kreisten und so eine Art Umlaufsystem bildeten. Das dritte Element, das Neutron, tauchte noch nicht auf: Es sollte erst 1932 in Erscheinung treten. Für seine Forschung zu radioaktiven Substanzen erhielt Rutherford 1908 den Nobelpreis.

Fast zeitgleich mit Rutherfords Erfolg versuchte der junge Däne Niels Bohr, Fehler im planetarischen Atommodell zu korrigieren, und fügte ihm Bahnebenen, Energieniveaus, Sprünge zwischen den Bahnen und sogar die Emission und Absorption von Licht hinzu, das er als elektromagnetische Wellen annahm. Mit seiner Arbeit machte Bohr aus dem, was zuvor eine theoretische Karte zur Erklärung bestimmter Phänomene gewesen war, etwas, das ganze Tafeln füllen musste, um verstanden zu werden. Für seinen Beitrag zur Struktur der Atome erhielt Niels Bohr 1922 den Nobelpreis.

Was auf Bohr folgte, war eine fast endlose Liste brillanter Köpfe. Sie alle fügten immer verrücktere Theorien über Atome hinzu —nie zuvor gesehen— und ließen ihren mathematischen Apparat auf astronomische Ausmaße anwachsen. Um ehrlich zu sein: Nach stundenlanger Lektüre zu diesem Thema war der Blick auf jedes Atommodell wie der Blick auf den Schlitten des Weihnachtsmanns — etwas maßlos publik Gemachtes, das noch niemand je gesehen hat.

Da Atommodelle eine imaginäre Karte sind, stellt sich eine ehrlichere Frage: Hat man je etwas gesehen, das einem Atom ähnelt? Die kurze Antwort ist unbequem: Es kommt darauf an, was wir unter sehen verstehen.

Um es besser zu erklären, stellen wir uns vor, wir betrachten einen Apfel: Licht prallt von seiner Oberfläche ab, erreicht uns und erzeugt sein Bild in unseren Augen. Doch unterhalb von etwa 200 Nanometern funktioniert dieser Trick nicht mehr: Gewöhnliches Licht liefert kein Abbild dessen, was existiert, mehr zurück; es scheint daran vorbeizuziehen, ohne es zu zeichnen, und setzt seinen Weg fort, als wäre das Ding durchscheinend. Nur ein ganz besonderes Licht —extrem intensiv, wie das, welches in den großen Teilchenbeschleunigern erzeugt wird— hat es geschafft, sich dieser Skala anzunähern, und selbst dann liefert es keine Fotografien, sondern Muster: Silhouetten und Schatten.

Die Wissenschaft ist, mit jeder ihr zur Verfügung stehenden Technologie, erstaunlich weit gekommen: Sie kann unscharfe Silhouetten orten, sie zählen, sie einzeln anordnen, das elektrische Feld auf unglaublich kleinen Skalen messen. Aber jede dieser Errungenschaften ist eine als Bild verkleidete Messung, kein direkter Blick. Was wir heute "ein Foto von Atomen" nennen, ist immer noch eine Karte —weitaus besser als die von Thomson oder Bohr, aber am Ende doch eine Karte—. Und man muss es ruhig sagen, ohne Dramatik: Wir haben ihre Spur mit außergewöhnlicher Präzision gemessen; sie zu sehen, im einfachen Sinn, in dem wir einen Apfel sehen, noch nicht. Und dasselbe gilt für fast alles, was sehr klein oder sehr weit entfernt ist.

Eine fast hanebüchene, aber entscheidende Hypothese: Was würde geschehen, wenn wir uns angesichts seiner Unwahrscheinlichkeit dazu entschlössen, das Atom mit einem Federstrich zu entfernen, jedes seiner Modelle aus den Klassenzimmern und aus jedem einzelnen Wissenszweig zu tilgen?

Als Erstes käme es zu völligem Chaos in Klassenzimmern und im Bildungswesen. Lehrbücher müssten neu geschrieben werden, wobei mehr als 200 Jahre Geschichte gelöscht würden. Millionen Seiten blieben voller begrifflicher "Löcher", durchgestrichener Wörter oder verbotener Begriffe zurück, die die Texte völlig unlesbar machten. Schrödingers Gleichungen, Lewis-Strukturen und Diagramme molekularer Bindungen fehlte eine grundlegende Prämisse, sodass sie zu bedeutungslosem Gekritzel würden. Ganze Dissertationen zur Nanotechnologie, Kernphysik oder Biochemie wären mit einem Schlag hinfällig.

Die Wissenschaft ihrerseits würde nicht innehalten: Sie würde nach anderen Wegen suchen —mathematischen, philosophischen—, um zu erklären, was zuvor das Atom erklärt hatte. Denn die Welt bestünde weiterhin aus demselben Stoff. Wir hätten nur die Karte gelöscht, nicht das Gebiet.

So unwahrscheinlich es scheinen mag, hinter all diesem Aufwand —und Tausenden von Menschen, die ihr ganzes Leben der besseren Darstellung des Atoms widmen— steckt eine Wette: zu erforschen, woraus die Materie auf einer tieferen Ebene besteht, verspricht ein Universum voller Möglichkeiten.

Die Transmutation der chemischen Elemente könnte machbar werden. Kernreaktoren verwandeln bereits heute Elemente wie Uran in Plutonium und Cäsium. Das Beschießen leichterer Elemente mit Teilchen kann sie ebenfalls in schwerere verwandeln. Doch jede dieser Umwandlungen ist extrem teuer und unpraktisch und liefert obendrein nur winzige Mengen. All das könnte sich ändern, wenn wir den Prozess besser verstünden und ihn auf einer niedrigeren Ebene kontrollieren könnten.

Um es scherzhaft zu sagen: Wir könnten Steine in Gold oder Diamanten verwandeln, die Banken füllen und sie dann wieder in Gestein zurückverwandeln; und sogar noch weiter gehen und neue chemische Elemente mit neuen Eigenschaften erschaffen: Materialien, die der Schwerkraft trotzen, Supraleiter bei hohen Temperaturen… eine Geschichte ohne Ende.

Der zweite Preis ist bereits eingeschaltet, und zwar nicht in einem Labor, sondern bei Ihnen zu Hause: Ein guter Teil der weltweiten Elektrizität stammt aus einem gewaltigen Aufwand, der es uns allen ermöglicht, sie zu genießen. Die Materie besser zu verstehen, könnte Wege eröffnen, Energie zu erzeugen, die wir heute noch nicht kennen, weitaus besser und effizienter als die heutigen. Das, ohne die Möglichkeit ihrer Nutzung für nicht-friedliche Zwecke außer Acht zu lassen, die im Laufe der Geschichte tragische Folgen mit sich gebracht hat.

Aber nicht alles würde Tragödien bringen. Hinter dieser Forschung steckt die Hoffnung, Technologien wie die Kernspinresonanztomografie zu verbessern, die für die Diagnose von Krankheiten unverzichtbar ist; oder neue Wege zu finden, Informationen zu verarbeiten, die künftige Computer an ungeahnte Grenzen führen könnten. Und, zweifellos das ehrgeizigste und imaginärste von allen, zeichnet sich ein altes Ziel ab: zu verstehen, was die Zeit ist, und sie vielleicht zu kontrollieren.

All das erklärt, warum so viele den Stift nie aus der Hand legen und weiter forschen. Wenn uns eine so unscharfe und imaginäre Karte wie das Atom schon so weit gebracht hat, wie weit kämen wir dann, wenn wir die Materie auf ihrer untersten Ebene verstehen und kontrollieren könnten?

Am Ende blieb mein Simulator ein bloßer Versuch. Wie Sie sich sicher vorgestellt haben, war es, ein Atom am Computer zu simulieren, wie mit verbundenen Augen Schmetterlinge zu fangen. Trotzdem führte mich das alles nicht nur dazu, mich für Atome und ihre imaginären Modelle zu interessieren, sondern auch dazu, mich einem ganzen Universum von Wissen zuzuwenden, das uns einst faszinierte und das im Grunde nur wenige von uns wirklich kennen.