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Abb.: Hans-Erich Fröhlich
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Leben ist ihre schönste Erfindung, und der Tod ist ihr Kunstgriff, viel Leben zu haben. […] Alles ist immer da in ihr. Vergangenheit und Zukunft kennt sie nicht. Gegenwart ist ihr Ewigkeit.

aus: „Die Natur“ (1782/83). Goethe (1749–1832) zugeschrieben, vermutlich aber von dem Schweizer Pfarrer Georg Christoph Tobler (1757–1812).

 

Liebe Leserin, lieber Leser,

„Nature“, eines der maßgebenden Wissenschaftsjournale, feiert den 150. Geburtstag! Am 4. November 1869 erschien die erste Nummer, herausgegeben von Joseph Norman Lockyer (1836–1920). Ja, der Lockyer, der das Jahr zuvor auf ein neues chemisches Element gestoßen war – und zwar spektroskopisch bei einer Sonnenfinsternis: Helium. Im Heft Nr. 1 kommt Johann Wolfgang von Goethe zu Wort, jedenfalls die Übersetzung eines ihm zugeschriebenen fragmentarischen Essays, betitelt „Die Natur“. Der deutsche Dichterfürst und Hobbyforscher konnte sich zwar schon 1828 nicht mehr daran erinnern, es geschrieben zu haben, meinte aber, es hätte durchaus seiner Feder entsprungen sein können. Naturforscher, wie Alexander von Humboldt (1769–1859) oder Ernst Haeckel (1834–1919), hielten viel von „Goethes“ Ansichten über die Natur.

2009 verstarb der ehrenwerte John Maddox (geb. 1925). Er war gleich zweimal Herz und Seele des Wochenblattes, von 1966–1973 und 1980–1995. Nicht nur für die Astronomie waren das goldene Zeiten, und man verschlang Sir John's Anmerkungen in der „News and Views“ Rubrik. Sein Wort hatte Gewicht, seine Vorstellung von Wissenschaft war die unsrige: Naturwissenschaftliche Erkenntnis ist mehr als eine beliebige Erzählung unter vielen, wie ein postmoderner Relativismus glauben machen will.

Vor zehn Jahren, am 20. November 2009, kam man dem Urknall etwas näher: Der Large Hadron Collider (LHC) nahm nahe Genf seinen Betrieb (im zweiten Anlauf) auf. Dort prallen Teilchen mit hoher Energie (bis 13 TeV) gegenläufig aufeinander, und es werden inzwischen Zustände simuliert, wie sie am Ende der 10-11-ten Sekunde herrschten. Wie dicht dran ist man am Urknall? Nun, in Anbetracht dessen, dass es zwischen der Planck-Zeit (5·10-44 s) und dem Heute (14·109 a) physikalisch gesehen keine Zäsur gibt, bleibt uns nur, die Angelegenheit logarithmisch zu betrachten. So gesehen, hat uns der Speicherring experimentell dem Urknall auf der logarithmischen Zeitachse um immerhin 47 % näher gebracht! 53 % „Zeitwüste“ liegen noch im Dunkeln! Da versteckt sich noch jede Menge an spannender Physik!

Der Kohlenstoff ist ins Gerede gekommen, jedenfalls seine Allianz mit Sauerstoff: CO2. Soeben erschien eine faktenreiche Studie über den irdischen Kohlenstoff, seine Quellen und Senken, und wie sich der Kohlenstoffkreislauf im Laufe der Äonen unter Beteiligung der Biosphäre wandelte. Deshalb geht es diesmal um den Kohlenstoff – aus astronomischer wie irdischer Sicht. Die UNESCO freut's. Sie hat 2019 zum International Year of the Periodic Table of Chemical Elements  erklärt. Vor 150 Jahren haben der russische Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (1834–1907) und der Deutsche Julius Lothar Meyer (1830–1895) unabhängig voneinander jene tabellarische Anordnung der chemischen Elemente herausgefunden, die, auf den neuesten Stand gebracht, jeder Schüler kennt. Ordnungsprinzip waren Atomgewicht und chemisch-physikalische Eigenheiten, wie metallischer bzw. nichtmetallischer Charakter. Die damaligen Lücken im System sind inzwischen gefüllt. Mehr noch, immer schwerere Elemente kommen hinzu! Die Erklärung für das Periodensystem wurde von Wolfgang Pauli (1900–1958), dem Entdecker des Ausschließungsprinzips, Mitte der zwanziger Jahre des vorigen Jahrhunderts nachgereicht. Zuvor musste nämlich erst noch der Spin, d. h. der Eigendrehimpuls des Elektrons, entdeckt werden, etwas, für das die Schulphysik keine Entsprechung kennt.

Zur vollständigen Beschreibung der Elektronenhüllen und damit der chemischen Eigenschaften der Elemente bedarf es einer relativistischen Elektronentheorie. Die wurde 1928 von Paul Adrian Dirac (1902–1984) geschaffen. Die Elektronen ordnen sich so in Schalen an, dass ein Atom oder Molekül energetisch möglichst kompakt ist, wobei sich höchstens zwei (im Spin sich unterscheidende) Elektronen im gleichen Orbital aufhalten (Pauli-Prinzip). Die Wechselwirkung der Elektronen mit dem positiv geladenen Kern und untereinander zu berechnen bringt Höchstleistungsrechner allerdings an ihre Grenzen. Auch wenn es Chemiker nicht gerne hören: Chemie ist im Prinzip  auf Physik reduzierbar!

Sicherlich haben Sie schon von den einlagigen Kohlenstoffschichten mit Bienwabenstruktur gehört, dem „Wundermaterial“ Graphen? Übereinandergelegt ergibt sich Graphit, zusammengerollt entstehen Nano-Röhrchen. Die Materialdesigner sind begeistert. Werden Kohlenstoff-Sechserringe teilweise durch Fünferringe ersetzt, bilden sich Nano-Kügelchen (z. B. C60), sog. Fullerene. Und alle diese PAH (oder PAK = Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe) kommen im Kosmos vor (und nicht nur in Autoabgasen)!

Kohlenstoff ist immer wieder für eine Überraschung gut. Das meint

Ihr Hans-Erich Fröhlich

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