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Was war nochmal das Präkambrium?

Um zu erläutern, wie das Universum durch die allgemein bekannte Theorie des Urknalls entstanden ist, muss ich ein wenig in ein thematisches Gebiet abschweifen, das wohl keiner so gerne hatte, als er noch zur Schule ging – die Physik.

Heute geht man davon aus, dass das Weltall und somit alles Leben vor etwa 15 Milliarden Jahren entstand und mit dem Urknall Raum und Zeit geboren wurden. Man kann davon ausgehen, dass zu jenem Zeitpunkt noch alle vier Grundkräfte, die Gravitation – also Schwerkraft, die schwache und die starke Kernkraft – also Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung gebündelt waren. Nacheinander spalteten sich zuerst die Schwerkraft und die starke Kernkraft ab. Die dabei frei werdenden Energien sorgten dafür, dass sich das Universum in raschester Geschwindigkeit ausdehnte. Bei den damaligen Temperaturen entstanden Elektronen und freie Quarks. Bevor wir aber noch tiefer und detaillierter auf dieses Thema eingehen, sollte ich euch die Begriffe erst einmal erklären, damit ihr mir nicht davonlauft!

Beginnen wir mit den vier physikalischen Grundkräften.

Die Gravitation ist die Schwerkraft. Sie bewirkt das gegenseitige Anziehen von Massen und allen weiteren Energieformen aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie (was wiederum die so genannte Erkenntnis der relativistischen Physik ist… e=mc² besser bekannt unter dem Namen “Relativitätstheorie“). Ihre Reichweite ist unbegrenzt und lässt sich durch nichts abschirmen, kann aber in anderen Gebieten unseres Weltraums stärker oder schwächer auftreten. Daher wird durch sie die großräumige Verteilung der Masse im Universum bestimmt. Durch die Gravitation wird beispielsweise die Bahn der Erde um die Sonne oder auch des Mondes um die Erde bestimmt. Sie sorgt unter anderem auch dafür, dass wir, wenn wir hochspringen, nicht ins All abdriften. Die starke Wechselwirkung/Kernkraft sorgt für die wichtigen Bindungen zwischen zum Beispiel Quarks und Hadronen oder Protonen, Neutronen und dem Atomkern. Die schwache Wechselwirkung/Kernkraft wirkt hingegen nur auf sehr kleinen Abständen, spielt aber eine entscheidende Rolle bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne, da nur durch sie die Umwandlung von Protonen in Neutronen möglich ist. Die letzte der vier großen Grundkräften ist die Elektrodynamik, die physikalische Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung – also von elektronischen und magnetischen Feldern.

Was sind Elementarteilchen und all die kompliziert klingenden Dinger?

Niemand von uns hier hat wohl vor, einmal Physiker zu werden – und falls doch, wird derjenige zu Genüge mit Büchern und Tabellen ausgerüstet sein, als das hier noch einmal detailliert ausgeführt zu benötigen. Darum werde ich es uns nun allen ersparen, eine waaaahnsinnig abschreckende Grafik von sämtlichen existierenden subatomaren Teilchen rein zu pflanzen und zeige euch einfach eine Liste mit den wichtigsten Begriffen, die ihr kennen solltet, wenn ihr die Grundsätze der Atomphysik verstehen wollt – oder einfach nur das durchblicken möchtet, was ich euch hier zu erklären versuche.

Elementarteilchendie kleinsten bekannten Bausteine der Materie, sie spalten sich auf in sechs Quarks, sechs Leptonen, die Eichsbosonen und das Higgs-Boson, im weiteren Verlauf dieser Liste oft “elementare Bausteine” genannt
Materie Sammelbegriff für alles, was eine Ruhemasse besitzt
Masseeine Eigenschaft der Physik und eine physikalische Grundgröße – internationale Einheit ist das Kilogramm
Vakuum Gegenteil von Masse, bedeutet vereinfacht gesagt einfach “leerer Raum”
HadronenTeilchen, die der starken Wechselwirkung unterworfen sind, bekannteste Hadronen sind die Nukleonen, aus denen die Atomkerne aufgebaut sind; je nach Spin werden Hadronen in Mesonen und Baryonen eingeteilt
Mesonen instabile, atomare Teilchen, aufgebaut aus einem Quark-Antiquark Paar, bilden eine der zwei Gruppen der Hadronen; entstehen in hochenergetischen Teilchenkollisionen (beispielsweise Teilchenbeschleunigern oder der kosmischen Strahlung) und zerfallen in Sekundenbruchteilen
Baryonenstark wechselwirkende Elementarteilchen mit halbzahligem Spin, bestehen aus jeweils drei Quarks (oder eben drei Antibaryonen aus drei Antiquarks) – zur Klasse der Baryonen zählen zum Beispiel das Proton und das Neutron und eine reihe weiterer, schwerer Teilchen, den Hyperonen
Spin quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen, eine Art von nicht-klassischer Eigenrotation
Atomkernder winzige Kern des Atoms, umgeben von der großen Atomhülle
Higgs-Boson ein hypothetisches Austauschteilchen, das im Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wird; auch als Higgs-Teilchen bekannt
Eichbosonelementare Bausteine unseres Universums und Teil des Standardmodells der Elementarteilchenphysik
Quark elementare Bausteine, aus denen man in der Physik den Aufbau der Hadronen erklärt; es gibt 6 Arten von Quarks, die “Quark-Flavours” Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom
Leptoneneine Klasse von Elementarteilchen, von denen man annimmt, dass sie zusammen mit den Quarks und den Eichbosonen die fundamentalen Bausteine bilden, aus denen sich Materie zusammensetzt
Nukleonen Atombausteine; jene Teile aus denen ein Atomkern besteht – die Protonen und Neutronen
Protonenlanglebig elektrisch positiv geladene Hadronen
Elektronen negativ geladene Elementarteilchen
Neutronenelektrisch neutral geladene Hadronen
Anti- für so ziemlich alles gibt es Anti-Teilchen; Materie und Antimaterie, Quarks und Antiquarks usw.

Was bedeuten die Begriffe Raum und Zeit?

Der Raum ist durch die drei Dimensionen Höhe, Breite und Tiefe als auch Abstand, Richtung und Höhe bestimmt. Raum ermöglicht allen materiellen Objekten eine Ausdehnung, in der Physik ist der Raum der “Behälter” für Materie und Felder.
Die Zeit ist eine physikalische Größe und beschreibt eine Reihe von Ereignissen, hat also im Gegensatz zu anderen physikalischen Größen eine eindeutige, unumkehrbare Richtung. Aus einer philosophischen Perspektive beschreibt die Zeit das Fortschreiten der Gegenwart von der Vergangenheit kommend zur Zukunft hinführend.
Die Zustände, die in der Physik und der Astronomie die betrachteten Massen und die Raumzeit mathematisch gesehen in einem einzigen Punkt oder in einem nicht näher bekannten physikalischen Zustand sehr geringer Ausdehnung, aber extrem hoher Dichte zusammenfallen lässt, bezeichnet man im Übrigen als Singularität.

Wem jetzt vor lauter Physik der Kopf noch nicht schwirrt, wird mich wohl hassen, wenn er die kommenden Zeilen fertig gelesen hat. Nach dem Standardmodell der Kosmologie bezeichnet der Urknall den Beginn des Universums (wie wir es heute “kennen”) – alles, was davor gewesen ist, vermag niemand herauszufinden und genau gesehen ist ja noch nicht einmal die Theorie des Urknalls bestätigt, aber physikalisch sowie mathematisch am logischsten wirkend. Genau genommen bezeichnet der Urknall keine Explosion in einem bestehenden Raum, wie es die Physik eigentlich voraussetzen würde, sondern die gemeinsame Entstehung von Materie, Raum und Zeit aus einer ursprünglichen Singularität und das innerhalb weniger Sekundenbruchteilen. Die ersten Zeitalter, also Ären des Universums bestehen aus weniger als 15 Sekunden.

Die Planck-Ära begann damit, dass die Zeit selbst vor ihr noch keine Eigenschaft als Kontinuum besaß und daher hatte die Planck-Ära noch keine wirkliche Dauer, da der Zeitpunkt von Null bis 10−43 Sekunden physikalisch keine Bedeutung hat. Genau genommen gilt diese Annahme auch für den Raum. Für Räume mit der Ausdehnung von Null bis zur Planck-Länge verliert der Raum seine Eigenschaft als Kontinuum. In diesem Sinn kann für die Dauer der Planck-Ära keine exakte Angabe zum Volumen des Universums gemacht werden. Die Massendichte musste zu diesem Zeitpunkt etwa 1094 g/cm³ betragen haben und die Temperatur etwa 10³² K (Kelvin) betragen haben. Zur Erinnerung: Null Kelvin sind umgerechnet -272,15°C, was dem absoluten Nullpunkt entspricht.

Wer sich nun die Temperatur des Universums zum Zeitpunkt seiner Entstehung ausrechnen möchte, dem wünsche ich gutes Gelingen… Soll übrigens bisher die Rekordtemperatur gewesen sein. Unter diesen Umständen waren die vier physikalischen Grundkräfte in einer einzigen Urkraft vereint. Als die Ausweitung und damit das Ende der Planck-Ära begann, spaltete sich die Gravitation als eigenständige Kraft ab. Die drei restlichen Kräfte, die Wechselwirkungen, bildeten die GUT-Kraft (Grand Unified Theory) und leiteten somit die so genannte GUT-Ära ein. Bei einem Alter von 10−36 s sank die Temperatur im Weltraum auf etwa 1027 K ab. In dieser Zeit spaltete sich dann die Starke Wechselwirkung von der GUT-Kraft ab. Die hierbei freigewordene Energie führte zu der Phase, in der sich das Universum explosionsartig ausgedehnt hat wobei zwischen den Zeitpunkten 10−35 s und 10−33 s eine Ausdehnung um einen Faktor von etwa 1050 stattfand – und das ist schneller als Lichtgeschwindigkeit, welche als höchste Geschwindigkeit gilt, mit der sich eine Ursache auswirken kann.

Nach 10−33 s sank die Temperatur auf 1025 K ab. Es bilden sich Quarks und Anti-Quarks, welche die Quark-Ära einleiten. Damit sich aber stabile Protonen und Neutronen bilden konnten, war die Temperatur aber noch zu hoch. Daher bildete sich ein so genanntes Quark-Pluonen-Plasma aus annähernd freien Teilchen. X-Bosonen, die kurz davor entstanden waren, starben aus, weil sie zu instabil waren und die Temperatur für neue Formierung nicht ausreichte. Nach 10−12 s war das Universum auf 1016 K abgekühlt. Die letzten verbliebenen Kräfte aus der GUT-Ära spalteten sich und somit waren die heutigen vier Grundkräfte der Physik entstanden und der Zerfall der Urkraft abgeschlossen. Nach 10−6 s lag eine Temperatur von 1013 K vor. Quarks hörten auf, als freie Teilchen zu existieren und vereinigten sich zu Hadronen. Dieser Vorgang wird als Hadronen-Ära bezeichnet.

Die Temperatur nahm stetig ab und ließ zu, dass die Hadronen zu Protonen und Neutronen sowie deren Antiteilchen zerfielen. Durch ständige Umwandlungen von Protonen in Neutronen und umgekehrt entstand auch eine große Zahl von Neutrinos – die kleinere Form der Neutronen. Nach 10−4 s war die Temperatur auf 1012 K gesunken. Die meisten Protonen und Neutronen wurden bei Stößen mit ihren Antiteilchen vernichtet und aufgrund ihres geringen Massenunterschieds bildete sich dabei ein Verhältnis von Protonen zu Neutronen von 6:1 aus, das für den späteren Anteil von Helium im Kosmos entscheidend war. Die Temperatur reichte nun lediglich noch dazu aus, Leptonen-Paare, wie ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron zu bilden, die damit die dominante Teilchensorte stellten – darum bezeichnet man diese kurze Vorgangszeit als Leptopnen-Ära. Die Dichte sank auf 1013 g/cm3.

Für Neutrinos, die kaum mit anderen Teilchen wechselwirken, war die Dichte nun jedoch niedrig genug – sie befanden sich nicht mehr im thermischen Gleichgewicht mit den anderen Teilchen. Nach einer Sekunde war eine Temperatur von 1010 K erreicht. Jetzt vernichteten sich auch Elektronen und Positronen – bis auf den Überschuss von einem Milliardstel an Elektronen. Damit war die Bildung der Bausteine der Materie, aus der sich der Kosmos auch heute noch zusammensetzt, weitgehend abgeschlossen. Nach 10 Sekunden, bei Temperaturen unterhalb von 109 K, vereinigten sich Protonen und Neutronen durch Kernfusion zu ersten Atomkernen.

Nach 5 Minuten hatte die Dichte der Materie soweit abgenommen, dass dieser Vorgang stoppte. Die übrig gebliebenen freien Neutronen waren nicht stabil und zerfielen im Verlauf der nächsten Minuten in Protonen und Elektronen. Alle schwereren Elemente entstanden erst später im Inneren von Sternen. Um es vereinfacht auszudrücken, ist die Erde dann – wie alle anderen Planeten – dadurch entstanden, dass verschiedene Himmelskörper (unter anderem durch manche Supernova) zu ebendiesem Zeitpunkt kollidierten und zu immer größer werdenden Objekten und dadurch zu Planeten wurden.

Platzt euch gleich der Kopf…? Ach kommt schon, ist doch ganz akzeptabel, sich das wenigstens einmal intensiv zu geben, wie das alles eigentlich entstanden ist, auf was wir gerade sitzen, wenn wir das hier lesen. Wäre dieser Vorgang nicht passiert, könntet ihr papergangster gar nicht besuchen.

Jetzt, da wir diese komplizierte Physik hinter uns haben und soweit sind, dass die Erde Mal im All schwebt. Im Hadaikum, die Zeit, die wir mit diesem Kapitel hier beschreiben, fand zunächst einmal die Formation des Planeten Erde statt. Allerdings befindet sich auf der Erde noch kein einziges Festland, sie ist gerade aus einer Supernova entstanden und besteht zu hundert Prozent aus zähflüssigem Magma, das durch Gravitation zu einer Kugel gehalten wird. Während dieser Zeit soll ein hypothetischer Planet, den wir heute Theia nennen, mit der Erde kollidiert sein und dabei zerstört worden sein. Teile der Erde und von Theia wurden ins All geschleudert und durch die Erdanziehungskraft formte sich der Mond, durch die Kollision begann die Erde schneller zu rotieren, dass erst durch den noch heute vorhandenen Tag-Nacht-Rhytmus die Temperatur sank.

Durch die Monderforschung konnte herausgefunden werden, dass danach in der Zeit von vor etwa 4,1 bis 3,8 Milliarden Jahren ein Vorgang stattgefunden hatte, den man in der Astronomie als Late Heavy Bombardement bezeichnet. Meteoriten und Asteroiden schlugen auf die Planeten und ihre umliegenden Monde ein, zerstörten dabei von manchen Planeten sogar welche der Monde und formten beispielsweise unseren Mond, der mittlerweile reich an vielen, vielen Kratern ist. Das Magnetfeld der Erde wurde dadurch stark genug, um die Erde vor den Sonnenwinden abzuschirmen. Später entwickelte sich daraus die Ozonschicht, die uns heute zum Beispiel vor dem UV-Licht schützt. Das Magma verschwand allmählich von der Oberfläche und schwere Elemente wie Eisen und Nickel bildeten den Erdkern, während leichte Elemente wie Silizium und Sauerstoff Erdmantel und -kruste formten.

Das durch drei bis fünf Eismeteore auf die heiße Oberfläche der Erde gebrachte Wasser sprengte die oberflächlichen Glasschichten der Erde, verdampfte, und ging dann als Regen nieder. In den ersten 500 Millionen Jahren der Erdgeschichte konnte sich durch den radioaktiven Zerfall von Radioisotopen und den Einschlag von Meteoriten keine stabile Erdkruste bilden. Die Erde drehte sich damals noch so schnell, dass der Tag nur 10 Stunden hatte, der Mond befand sich näher an der Erde und die Sonneneinstrahlung war wesentlich schwächer, da sich das heute vorhandene Wasserstoffbrennen erst entwickelte. Die Erdatmosphäre war schwefelig und ohne Sauerstoff. Ganze 600 Milliarden Jahre hatte das Hadaikum gedauert und vor 4 Milliarden Jahren nahm es sein Ende.

Und was ist nun das Präkambrium?

Das Präkambrium, das allererste Zeitalter der Erde, setzt sich aus drei Zeiten zusammen… Dem Proterozoikum, dem Archaikum und dem Hadaikum.

Beginnen wir mit dem Archaikum. Von vor etwa 4000 bis 2500 Milliarden Jahren fand dieses Zeitalter statt. Vor mehreren Jahren dachte man noch, keine einzigen Spuren aus den frühen Zeitaltern der Erde zu kennen, aber mittlerweile hat man gewisse Gesteinsformationen so weit in die frühere Zeit zurückdatieren können. So weisen zum Beispiel der Isua-Gneis aus der Gegend von Nuuk in Grönland Gesteine, die bereits in der Zeit des Hadaikum gebildet wurden vor, sowie der Acasta-Gneis mit 4030 Milliarden Jahren das älteste sicher datierte Gestein ist – befindet sich im Übrigen im westlichen Gesteinsschild Kanadas. Im Jahre 2008 wurden weitere Datierungen bekannt, die aus dem Hadaikum stammen, die aus dem Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel im östlichen Kanadischen Schild stammen. Der erste hypothetische Superkontinent Ur könnte sich vor 3 Milliarden Jahren aus diesen ersten hadaischen Festlandinseln gebildet haben. (Ein Superkontinent bezeichnet eine Landmasse, in der alle oder beinahe alle heute bekannten Kontinentmassen vereint sind zu einem einzigen Landzug.)

Heute weiß man, dass in der damaligen Zeit eine Art chemische Evolution stattgefunden hatte; Makromoleküle waren in der Lage, sich durch Anlagerung anderer Moleküle zu vergrößern und sich selbst zu reproduzieren. Im frühen Archaikum kann dieser Zeitpunkt als der Beginn des Lebens auf der Erde angesetzt werden. Naturgemäß ist die Menge der findbaren Fossilien und Gesteine aus diesem Äon minimal, da die meisten Landmassen aus dieser Zeit, die solche Spuren tragen könnten, völlig zu feinstem Sand erodiert sind, metamorphosiert, Grundlage von Sedimentgesteinen wurden oder im Erdmantel aufschmolzen. Die Atmosphäre im frühen Archaikum enthielt noch keinen freien Sauerstoff. Die Photosynthese der ersten Prokaryoten oxidierte vorerst die Minerale des Urozeans und erst gegen Ende des Archaikums wurde Sauerstoff an die Atmosphäre abgegeben.

Was ist die Photosynthese?

Hiermit bezeichnet man die Erzeugung von Sauerstoff. Sie wird von Pflanzen, Algen- und einigen Bakteriengruppen betrieben. Bei diesem biochemischen Prozess produzieren Pflanzen Zucker aus Wasser und Kohlendioxid. Vollzogen wird das Ganze in den Chloroplasten innerhalb der Zellen der Blätter und anderer grüner Teile. Die dafür benötigte Energie wird aus dem Sonnenlicht absorbiert. Chlorophyll – das grüne Pigment in den Chloroplasten, auch Stärke genannt – nimmt das Licht auf und verwendet diese Energie in einer Reihe von Reaktionen, in deren Verlauf sich Wasser mit Kohlendioxid verbindet und Glucose gebildet wird, Sauerstoff aber dabei abgegeben wird. Die Glucose liefert die Energie für Zellaktivitäten und wird zudem in Cellulose umgewandelt. Das gleiche Prinzip passiert übrigens, wenn ein Lebewesen zunimmt; also kein Sauerstofferzeugnis oder Dergleichen, aber Glucose wird als Cellulose am Körper abgelegt und bildet die Fettschichten

Nachdem wir nun in das nächste Erdzeitalter voranschreiten, dem Proterozoikum, nähern wir uns der Entstehung von intelligenten Lebewesen. Zunächst befinden wir uns im Paläoproterozoikum, in welchem nur einfache Bakterien vorkamen. Aus ihnen entwickelten sich die ersten komplexen Einzeller mit Organellen – verkleinerte Form von Organen – und später im Mesoproterozoikum wiesen diese auch einen Zellkern vor, sozusagen eine eigene DNA. Hierzu gehörten unter anderem die ersten Grünalgen sowie die ersten einzelligen Tiere. Nach wie vor fand sich dieses “Leben” nur unter Wasser, weil auf der Erdoberfläche noch immer zu geringe Sauerstoffwerte vorhanden waren. Nebenher wurden während der vier Zeitaltern des Paläoproterozoikums gewisse Gebirgspässe durch weitere Asteroideneinschläge geformt.

Hinzu kommt, dass zu Zeiten des Mesoproterozoikums soll der Superkontinent Rodinia existent gewesen sein, es gibt viele Theorien und weitere Namen für andere Superkontinente, die statt Rodinia zu diesem Zeitpunkt existiert haben sollen. Von heutiger Literatur ist allerdings dies derjenige, der am weitgehendsten akzeptiert worden ist und es gibt weiterhin keine Beweise, wie die heutigen Kontinente damals angeordnet gewesen sein sollen. Gegen Ende dieser Ära gab es erstmals geschlechtliche Fortpflanzungen. Als das Neoproterozoikum eintrat, begannen die ersten vielzelligen Lebewesen zu existieren.

Die ersten mehrzelligen Lebewesen sowie Pflanzen und erste wirbellosen Tiere leiteten das fortschrittliche Leben auf dem Land ein, das aber erst im Zeitalter nach dem Neoproterozoikum folgte. Während des Neoproterozoikums kam es wiederholt zu gravierenden Eiszeiten mit teilweise globaler Vereisung. Schneeball Erde ist der Name der Hypothese der Vereisung des gesamten Erdballs während der Erdurzeit im Proterozoikum. Nach dieser Hypothese reichten während globaler Vereisungen die Gletscher von den Polen bis in Äquatornähe und die Ozeane waren weitgehend zugefroren.

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