Das Rätsel der Harmonie

Alles hat seine Ordnung – auch die Unordnung

In der Natur begegnen uns viele rätselhafte Strukturen. Ebenmäßige Formen und Regelmäßigkeiten entdecken wir selbst dort, wo wir sie nicht erwarten: Säulen, die wie gemeißelte Sechsecke in die Höhe ragen. Riesige Dünen, wie mit dem Kamm gezogen. Perfekte Kristalle, groß wie ein Mehrfamilienhaus. Auch das Geschehen am Himmel, das Werden und Vergehen der Sterne, scheint nach ewigen Gesetzmäßigkeiten abzulaufen. Gibt es Harmonie im universellen Maßstab? Strebt die Natur nach Vollkommenheit?

An der rauen Küste Nordirlands findet man beeindruckende Skulpturen. Der Künstler, der wie besessen an ihnen arbeitete, ist die Natur: Am Giant’s Causeway, dem „Damm des Riesen“, ragen etwa 40.000 Basaltsäulen aus der Brandung. Die meisten der bis zu 12 Meter hohen Säulen haben die Grundform regelmäßiger Sechsecke. Wie sind diese faszinierend gleichförmigen Strukturen entstanden?

Die perfekte Form

Basaltsäulen am Giant's Causeway
Rund 40.000 Basaltsäulen säumen die Küste am "Damm des Riesen".

Der Legende nach riss hier der Riese Fionn gigantische Felssplitter aus den Klippen und stemmte sie ins Meer. Er wollte damit einen Damm errichten, um seinen schottischen Feind Benandonner zu erreichen. Die naturwissenschaftliche Erklärung ist nicht minder spannend: Sechseckige Formen gibt es oft in der Natur – zum Beispiel bei den Waben der Honigbiene. Diese sind von erstaunlicher Regelmäßigkeit. Die Bienen erzeugen ihr Baumaterial selbst: Mit Wachsplättchen konstruieren sie um den eigenen Körper herum Wabe für Wabe. Die Zellen dienen als Speisekammern und Kinderstuben der Larven. Die sechseckigen Konstruktionen sind stabil, verbrauchen wenig Wachs und nutzen den vorhandenen Platz optimal aus.

Dieses Prinzip lässt sich auch an Seifenblasen studieren: Eine einzelne Seifenblase nimmt immer die Kugelform ein. Sie bietet das optimale Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Will man allerdings mehrere Seifenblasen zusammenpacken, ist nicht mehr die Kugel, sondern das Hexagon die perfekte Form. Genau deswegen nutzt die Natur diese Form – und lässt die Sechsecke ganz von allein entstehen. Streng genommen sind es nämlich nicht die Bienen, die sechseckig bauen: Die Hexagone bilden sich durch physikalische Prozesse, wenn sich das Wachs auf circa 40 Grad Celsius erwärmt. Auch der „Damm des Riesen“ ist auf diese Weise entstanden: Vor rund 60 Millionen Jahren brach in der Region ein Vulkan aus. Die Lava konnte nicht abfließen und sammelte sich in einem See, wo sie ganz langsam abkühlte und erstarrte. Dabei zog sich die Lava sich zusammen, Risse bildeten sich. Diese folgen einer Gesetzmäßigkeit. Der effektivste Prozess beim Schrumpfen schafft Bruchkanten in Sechseckform.

Schatzkammer der Riesenkristalle

Riesenkristalle von Naica
Unterirdisch wuchsen bis zu 14 Meter lange Kristalle. Quelle: bbc

Viele Kristalle bilden hexagonale Formen aus. Die größten Kristalle, die je ein Mensch zu Gesicht bekommen hat, befinden sich fast 300 Meter tief unter mexikanischem Boden: Unter der Wüste Chihuahua, nahe der Stadt Naica, stießen vor einigen Jahren Minenarbeiter auf der Suche nach Blei, Zink und Silbererzen auf ein echtes Naturwunder: Riesige, bis zu 14 Meter lange Gipskristalle, die wie Baumstämme aus Boden, Wänden und Decke einer Höhle wachsen. 2006 wurde die „Höhle der Kristalle“ von Naica zur Erforschung freigegeben. Die Ausrüstung, die dafür nötig ist, gleicht der einer Weltraummission. Der Körper muss mit Eiswürfeln gekühlt werden, ansonsten droht Kreislaufversagen. Und eine eigene Luftversorgung ist bei der hohen Feuchte überlebenswichtig, um nicht am eigenen Atem zu ertrinken.

Wissenschaftler untersuchten den Riesenwuchs der Gipskristalle vier Jahre lang und stießen auf eine Kette von Bedingungen, die hier durch Zufall zusammenfanden: Nur zwei Kilometer unter der Höhle liegt eine Magmakammer, die Wasser in einem Kreislauf über Hunderttausende von Jahren erhitzt und die Höhle auf über 57 Grad Celsius aufgeheizt hat. Dadurch lösten sich Mineralien im Wasser. Als das Wasser langsam abkühlte, verbanden sich diese Stoffe zu Molekülen, und erste Kristalle bildeten sich. Aufgrund der spezifischen atomaren Bindungen nahmen sie besondere geometrische Formen an und bildeten sechseckige Säulen aus. Bis zu eine Million Jahre konnten diese Kristalle ungestört zu ihrer gewaltigen Größe heranwachsen. Die Ordnung in der Mikrowelt hat das mineralische Wunderland entstehen lassen.

Vergängliche Schönheit

Eiskristall
Eiskristalle folgen einer hexagonalen Grundform. Quelle: photocase

Besondere Kristalle gibt es aber nicht nur in abgelegenen Tiefen, sondern jeden Winter frei Haus: Schneekristalle sind die vielleicht schönsten und zugleich vergänglichsten Kristalle unseres Universums. Die Molekülstruktur von Wasser zwingt die Schneeflocken immer in eine sechseckige Kristallstruktur. Jede Schneeflocke ist ein perfektes symmetrisches Gebilde. Dennoch ist aufgrund der unvorstellbaren Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten ihrer Teilstrukturen jede Flocke einzigartig. Kristalle sind ein Arrangement von Atomen, das Ergebnis physikalischer Gesetzmäßigkeiten.
Auch außerhalb des Mikrokosmos, in der für uns sichtbaren Welt, ist es offenbar, dass die Natur aus sich selbst heraus Strukturen schafft. Die Kräfte von Wind, Wasser und Wetter gestalten ständig neue Formen. Auf sandigen, vegetationsarmen Oberflächen türmen sie Erhebungen auf – Dünen in der Wüste. Wie können selbst im Fließen und Strömen bleibende Formen entstehen?

Die Überraschung ist: Auch auf dem Mars gibt es Dünen. Aufnahmen der NASA-Sonde Mars Reconnaissance Orbiter zeigen ausgedehnte Sicheldünenfelder, und das, obwohl die Atmosphäre unseres Nachbarplaneten etwa hundertmal dünner ist als die der Erde. Nur extrem starke Stürme könnten die Sandkörner bewegen. Aber die Roboterfahrzeuge, die seit Jahren den Mars erkunden, konnten noch keinen Wind messen, der stark genug wäre, Dünen aufzutürmen. Sind die Marsdünen etwa Relikte aus früheren Epochen?

Aus Beobachtungen entwickelten Forscher eine Theorie: Etwa alle zehn Jahre bildet sich ein Sturm gewaltigen Ausmaßes und überzieht den gesamten Planeten. Da die Gravitationskraft des Mars nur schwach ist, springen die Sandkörner viel höher als auf der Erde. Sie lassen die Marsdünen in beeindruckende Höhen wachsen und geben unserem Nachbarplaneten immer wieder ein neues Gesicht.

Eine winzige Disharmonie

Urknall (Animation)
Aus einer unvorstellbaren Energiekonzentration entstand das Universum.

Ist Harmonie ein universelles Prinzip, das im winzig Kleinen genauso wie im unvorstellbar Großen funktioniert? Seit der dänische Astronom Tycho Brahe 1572 einen neuen, hellen Stern am Nachthimmel entdeckte, wissen wir, dass der Kosmos nicht aus unveränderlichen Sphären besteht. Vielmehr ist er ständig in Bewegung: ein Kreislauf der Materie, der vom Werden und Vergehen der Sterne bestimmt wird. Denn was Brahe beobachtete, war nicht die Geburt eines Sterns, sondern sein Ende in einer gewaltigen Explosion – einer Supernova. Das Material eines untergegangenen Sterns verteilt sich in seiner Umgebung im All und stößt in Gaswolken Prozesse an, die zur Bildung neuer Sterne und sogar neuer Galaxien führen.
Und doch: Gäbe es nur perfekte Harmonie und Symmetrie, existierte das Universum nicht. Die Entstehung der Materie beruht nämlich auf einem winzigen „Fehler“: Nach dem Standardmodell der Physik gibt es zu jeder Teilchenart, aus der Materie besteht, eine Art Gegenspieler – ein Antiteilchen, das entgegengesetzte Eigenschaften besitzt. Vor 13,82 Milliarden Jahren wurde mit dem Urknall aus einer unvorstellbar hohen Energiekonzentration das Universum geboren. Zu Beginn begegneten sich Teilchen und Antiteilchen in der Leere und löschten sich gegenseitig aus. Hätte es im frühen Universum exakt so viel Materie wie Antimaterie gegeben, wäre rein gar nichts übrig geblieben vom Urknall. Doch aus einem Grund, den die Forscher bis heute nicht kennen, gab es ein wenig mehr Materie als Antimaterie, eine winzige Asymmetrie. Rechnerisch müssen mit fünf Milliarden Antimaterieteilchen fünf Milliarden und ein Materieteilchen entstanden sein – die Keimzelle von Sternen, Galaxien und Planeten. Somit haben wir unsere Existenz und alles, was uns umgibt, einem winzigen Ungleichgewicht, einem Bruch der Symmetrie, gleich zu Beginn des Universums zu verdanken.

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