Die großen Unbekannten der Wissenschaft: 20 ungelöste Fragen

Woraus besteht das Universum?

LONDON – Astronomen stehen vor einem peinlichen Rätsel: Sie wissen nicht, woraus 95 Prozent des Universums bestehen. Atome, aus denen alles besteht, was wir um uns herum sehen, machen nur mickrige 5 Prozent aus. In den letzten 80 Jahren wurde klar, dass der beträchtliche Rest aus zwei schattenhaften Entitäten besteht – dunkle Materie und dunkle Energie. Erstere wurde erstmals 1933 entdeckt und wirkt wie ein unsichtbarer Klebstoff, der Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält. Die 1998 entdeckte dunkle Energie treibt die Ausdehnung des Universums mit immer größerer Geschwindigkeit voran. Die Astronomen kommen der wahren Identität dieser unsichtbaren Eindringlinge immer näher.

Wie begann das Leben?

Vor vier Milliarden Jahren begann sich etwas in der Ursuppe zu rühren. Ein paar einfache Chemikalien kamen zusammen und schufen die Biologie – die ersten Moleküle, die sich selbst replizieren konnten, entstanden. Wir Menschen sind durch die Evolution mit diesen frühen biologischen Molekülen verbunden. Aber wie haben sich die chemischen Grundstoffe auf der frühen Erde spontan zu etwas zusammengefügt, das dem Leben ähnelt? Wie kam es zur DNA? Wie sahen die ersten Zellen aus? Mehr als ein halbes Jahrhundert, nachdem der Chemiker Stanley Miller seine Theorie der „Ursuppe“ aufgestellt hat, sind wir uns immer noch nicht einig, was passiert ist. Einige sagen, dass das Leben in heißen Tümpeln in der Nähe von Vulkanen begann, andere, dass es durch Meteoriten ausgelöst wurde, die im Meer einschlugen.

Sind wir allein im Universum?

Vielleicht nicht. Astronomen haben das Universum nach Orten abgesucht, an denen Wasserwelten Leben hervorgebracht haben könnten, von Europa und Mars in unserem Sonnensystem bis zu Planeten, die viele Lichtjahre entfernt sind. Radioteleskope haben den Himmel belauscht, und 1977 wurde ein Signal mit den potenziellen Merkmalen einer außerirdischen Botschaft gehört. Die Astronomen sind heute in der Lage, die Atmosphären fremder Welten nach Sauerstoff und Wasser abzusuchen. Die nächsten Jahrzehnte werden eine aufregende Zeit für Alien-Jäger sein, denn allein in unserer Milchstraße gibt es bis zu 60 Milliarden potenziell bewohnbare Planeten.

Was macht uns zu Menschen?

Ein Blick auf die DNA gibt keine Auskunft – das menschliche Genom ist zu 99 Prozent identisch mit dem eines Schimpansen und zu 50 Prozent mit dem einer Banane. Wir haben jedoch größere Gehirne als die meisten Tiere – nicht die größten, aber mit dreimal so vielen Neuronen wie ein Gorilla (86 Milliarden, um genau zu sein). Viele der Dinge, von denen wir einst dachten, dass sie uns auszeichnen – Sprache, Werkzeuggebrauch, sich selbst im Spiegel erkennen – sind auch bei anderen Tieren zu finden. Vielleicht ist es unsere Kultur – und deren Auswirkung auf unsere Gene (und umgekehrt) – die den Unterschied ausmacht. Wissenschaftler glauben, dass das Kochen und die Beherrschung des Feuers dazu beigetragen haben, dass wir große Gehirne bekommen haben. Aber es ist möglich, dass unsere Fähigkeit zur Zusammenarbeit und zum Handel mit Fertigkeiten das ist, was diesen Planeten wirklich zu einem Planeten der Menschen und nicht der Affen macht.

Was ist Bewusstsein?

Wir sind uns immer noch nicht ganz sicher. Wir wissen nur, dass es mit verschiedenen Gehirnregionen zu tun hat, die miteinander vernetzt sind, und nicht mit einem einzelnen Teil des Gehirns. Man geht davon aus, dass wir, wenn wir herausfinden, welche Teile des Gehirns beteiligt sind und wie die neuronalen Schaltkreise funktionieren, auch herausfinden können, wie das Bewusstsein entsteht. Die schwierigere, eher philosophische Frage ist, warum irgendetwas überhaupt ein Bewusstsein haben sollte.

Eine gute Vermutung ist, dass wir durch die Integration und Verarbeitung vieler Informationen sowie durch Fokussierung und Ausblendung statt Reaktion auf die Sinneseindrücke, mit denen wir bombardiert werden, zwischen dem, was real ist, und dem, was nicht real ist, unterscheiden und uns mehrere Zukunftsszenarien vorstellen können, die uns helfen, uns anzupassen und zu überleben.

Warum träumen wir?

Wir verbringen etwa ein Drittel unseres Lebens mit Schlafen. Wenn man bedenkt, wie viel Zeit wir damit verbringen, könnte man meinen, wir wüssten alles darüber. Aber Wissenschaftler sind immer noch auf der Suche nach einer vollständigen Erklärung dafür, warum wir schlafen und träumen. Anhänger von Sigmund Freuds Ansichten glaubten, dass Träume Ausdruck unerfüllter Wünsche – oft sexueller Art – sind, während andere sich fragen, ob Träume etwas anderes sind als die zufälligen Zündungen eines schlafenden Gehirns.

Tierstudien und Fortschritte in der Bildgebung des Gehirns haben uns zu einem komplexeren Verständnis geführt, das darauf hindeutet, dass Träume eine Rolle bei Gedächtnis, Lernen und Emotionen spielen könnten. Bei Ratten wurde zum Beispiel gezeigt, dass sie ihre Wacherfahrungen im Traum wiederholen, was ihnen offenbar hilft, komplexe Aufgaben wie das Navigieren in Labyrinthen zu lösen.

Warum gibt es Zeug?

Sie sollten wirklich nicht hier sein. Der „Stoff“, aus dem du gemacht bist, ist Materie, die ein Gegenstück hat, das Antimaterie genannt wird und sich nur durch die elektrische Ladung unterscheidet. Wenn sie aufeinander treffen, verschwinden beide in einem Energieblitz.

Unsere besten Theorien besagen, dass der Urknall beide in gleicher Menge hervorbrachte, was bedeutet, dass alle Materie seither auf ihr Gegenstück, die Antimaterie, gestoßen sein müsste, wodurch beide zerstört wurden und das Universum nur noch aus Energie bestand. Offensichtlich hat die Natur eine subtile Vorliebe für Materie, sonst gäbe es Sie nicht. Forscher sichten Daten aus dem Large Hadron Collider und versuchen zu verstehen, warum das so ist, wobei Supersymmetrie und Neutrinos die beiden Hauptverdächtigen sind.

Gibt es andere Universen?

Unser Universum ist ein sehr unwahrscheinlicher Ort. Verändert man auch nur geringfügig einige seiner Einstellungen, wird das Leben, wie wir es kennen, unmöglich. Bei dem Versuch, dieses Problem der „Feinabstimmung“ zu lösen, wenden sich die Physiker zunehmend der Idee anderer Universen zu. Wenn es in einem „Multiversum“ eine unendliche Anzahl von Universen gibt, dann würde sich jede Kombination von Einstellungen irgendwo abspielen, und natürlich befindet man sich in dem Universum, in dem man existieren kann. Es mag verrückt klingen, aber die Erkenntnisse aus der Kosmologie und der Quantenphysik weisen in diese Richtung.

Wohin mit dem ganzen Kohlenstoff?

In den letzten paar hundert Jahren haben wir die Atmosphäre mit Kohlendioxid gefüllt – freigesetzt durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, die einst den Kohlenstoff unter der Erdoberfläche einschlossen. Jetzt müssen wir diesen Kohlenstoff wieder einlagern, sonst riskieren wir die Folgen einer Klimaerwärmung. Aber wie machen wir das? Eine Idee ist, ihn in alten Öl- und Gasfeldern zu vergraben. Eine andere besteht darin, ihn auf dem Meeresgrund zu verstecken. Aber wir wissen nicht, wie lange es dort bleiben wird und welche Risiken damit verbunden sind. In der Zwischenzeit müssen wir natürliche, langlebige Kohlenstoffspeicher wie Wälder und Torfmoore schützen und damit beginnen, Energie auf eine Weise zu erzeugen, die nicht noch mehr davon ausstößt.

Wie können wir mehr Energie von der Sonne gewinnen?

Die schwindenden Vorräte an fossilen Brennstoffen bedeuten, dass wir einen neuen Weg brauchen, um unseren Planeten mit Energie zu versorgen. Unser nächster Stern bietet mehr als eine mögliche Lösung. Wir nutzen bereits die Energie der Sonne, um Solarenergie zu erzeugen. Eine andere Idee ist, die Energie des Sonnenlichts zu nutzen, um Wasser in seine Bestandteile aufzuspalten: Sauerstoff und Wasserstoff, der einen sauberen Kraftstoff für die Autos der Zukunft darstellen könnte. Wissenschaftler arbeiten auch an einer Energielösung, die auf der Nachbildung der Prozesse im Inneren der Sterne selbst beruht – sie bauen eine Kernfusionsmaschine. Die Hoffnung ist, dass diese Lösungen unseren Energiebedarf decken können.

Was ist so seltsam an Primzahlen?

Dass man sicher im Internet einkaufen kann, verdankt man Primzahlen – jenen Ziffern, die nur durch sich selbst und eins teilbar sind. Bei der Verschlüsselung mit öffentlichen Schlüsseln – dem Herzstück des Internethandels – werden Primzahlen verwendet, um Schlüssel zu erstellen, die Ihre sensiblen Daten vor neugierigen Blicken schützen. Doch trotz ihrer grundlegenden Bedeutung für unser tägliches Leben bleiben die Primzahlen ein Rätsel. Ein offensichtliches Muster in ihnen – die Riemann-Hypothese – hat einige der klügsten Köpfe der Mathematik jahrhundertelang verblüfft. Bisher ist es jedoch noch niemandem gelungen, ihre Seltsamkeit zu bändigen. Dabei könnte das Internet gerade zerbrechen.

Wie besiegen wir Bakterien?

Antibiotika sind eines der Wunder der modernen Medizin. Die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Entdeckung von Sir Alexander Fleming führte zu Medikamenten, die einige der tödlichsten Krankheiten bekämpften und Operationen, Transplantationen und Chemotherapie ermöglichten. Doch dieses Erbe ist in Gefahr – in Europa sterben jedes Jahr etwa 25 000 Menschen an multiresistenten Bakterien. Unsere Medikamentenpipeline stottert schon seit Jahrzehnten, und wir haben das Problem durch die übermäßige Verschreibung und den Missbrauch von Antibiotika noch verschlimmert – schätzungsweise 80 Prozent der Antibiotika in den USA werden zur Förderung des Wachstums von Nutztieren eingesetzt. Glücklicherweise hilft uns das Aufkommen der DNA-Sequenzierung bei der Entdeckung von Antibiotika, von denen wir nicht wussten, dass Bakterien sie produzieren können. Zusammen mit innovativen, wenn auch eklig klingenden Methoden wie der Transplantation „guter“ Bakterien aus Fäkalien und der Suche nach neuen Bakterien in den Tiefen der Ozeane können wir in diesem Wettrüsten mit Organismen, die 3 Milliarden Jahre älter sind als wir, vielleicht doch noch mithalten.

Können Computer immer schneller werden?

Unsere Tablets und Smartphones sind Mini-Computer, die mehr Rechenleistung enthalten als die Astronauten 1969 auf den Mond brachten. Aber wenn wir die Rechenleistung, die wir in unseren Taschen mit uns herumtragen, immer weiter erhöhen wollen, wie sollen wir das schaffen? Es gibt nur eine bestimmte Anzahl von Komponenten, die man auf einem Computerchip unterbringen kann. Ist die Grenze erreicht, oder gibt es einen anderen Weg, einen Computer herzustellen? Wissenschaftler denken über neue Materialien wie atomar dünnen Kohlenstoff – Graphen – und neue Systeme wie das Quantencomputing nach.

Werden wir jemals Krebs heilen können?

Die kurze Antwort lautet nein. Krebs ist keine einzelne Krankheit, sondern eine lose Gruppe von Hunderten von Krankheiten. Es gibt ihn schon seit den Dinosauriern, und da er durch fehlerhafte Gene verursacht wird, ist das Risiko in jedem von uns fest verdrahtet. Je länger wir leben, desto wahrscheinlicher ist es, dass etwas schief geht, und zwar in vielerlei Hinsicht. Denn Krebs ist ein Lebewesen, das sich ständig weiterentwickelt, um zu überleben.

Auch wenn es unglaublich kompliziert ist, lernen wir durch die Genetik immer mehr über die Ursachen, die Ausbreitung und die bessere Behandlung und Prävention. Und das sollten Sie wissen: Bis zur Hälfte aller Krebserkrankungen – 3,7 Millionen pro Jahr – sind vermeidbar: Geben Sie das Rauchen auf, trinken und essen Sie maßvoll, bleiben Sie aktiv und setzen Sie sich nicht zu lange der Mittagssonne aus.

Wann kann ich einen Roboter-Butler haben?

Roboter können bereits Getränke servieren und Koffer tragen. Die moderne Robotik kann uns einen „Stab“ von individuell spezialisierten Robotern bieten: Sie bereiten Ihre Amazon-Bestellungen für die Lieferung vor, melken Ihre Kühe, sortieren Ihre E-Mails und bringen Sie zwischen Flughafenterminals hin und her. Aber für einen wirklich „intelligenten“ Roboter müssen wir die künstliche Intelligenz knacken. Die eigentliche Frage ist, ob Sie einen Roboter-Butler allein mit Ihrer Oma im Haus lassen würden. Und da Japan bis zum Jahr 2025 die Pflege älterer Menschen durch Roboter übernehmen will, denken wir jetzt schon intensiv darüber nach.

Was liegt auf dem Grund des Ozeans?

Fünfundneunzig Prozent des Ozeans sind unerforscht. Was befindet sich dort unten? 1960 reisten Don Walsh und Jacques Piccard auf der Suche nach Antworten sieben Meilen tief in den tiefsten Teil des Ozeans. Ihre Reise führte sie an die Grenzen menschlicher Bemühungen, gab ihnen aber nur einen kleinen Einblick in das Leben auf dem Meeresboden. Es ist so schwierig, auf den Grund des Ozeans zu gelangen, dass wir meist auf unbemannte Fahrzeuge als Späher zurückgreifen müssen.

Die Entdeckungen, die wir bisher gemacht haben – von bizarren Fischen wie dem Barreleye mit seinem durchsichtigen Kopf bis hin zu einer möglichen Alzheimer-Behandlung durch Krustentiere – sind nur ein winziger Bruchteil der seltsamen Welt, die sich unter den Wellen verbirgt.

Was befindet sich auf dem Grund eines Schwarzen Lochs?

Es ist eine Frage, die wir noch nicht beantworten können. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass ein Schwarzes Loch, das durch einen sterbenden, kollabierenden massereichen Stern entsteht, immer weiter zusammenfällt, bis es einen unendlich kleinen, unendlich dichten Punkt bildet, der Singularität genannt wird.

Aber in solchen Größenordnungen hat die Quantenphysik wahrscheinlich auch etwas zu sagen. Allerdings waren die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik noch nie die glücklichsten Bettgenossen – jahrzehntelang haben sie allen Versuchen widerstanden, sie zu vereinigen. Eine neuere Idee – die so genannte M-Theorie – könnte jedoch eines Tages das unsichtbare Zentrum einer der extremsten Schöpfungen des Universums erklären.

Können wir ewig leben?

Wir leben in einer erstaunlichen Zeit: Wir fangen an, „Altern“ nicht als eine Tatsache des Lebens zu betrachten, sondern als eine Krankheit, die behandelt und möglicherweise verhindert oder zumindest für eine sehr lange Zeit hinausgeschoben werden kann. Unser Wissen über die Ursachen des Alterns – und darüber, warum manche Tiere länger leben als andere – wächst rasant.

Und obwohl wir noch nicht alle Details kennen, fügen die Hinweise, die wir über DNA-Schäden, das Gleichgewicht von Alterung, Stoffwechsel und reproduktiver Fitness sowie die Gene, die dies regulieren, ein größeres Bild zusammen, das möglicherweise zu medikamentösen Behandlungen führen kann.

Die eigentliche Frage ist jedoch nicht, wie wir länger leben werden, sondern wie wir länger gut leben können. Und da viele Krankheiten wie Diabetes und Krebs Krankheiten des Alterns sind, könnte die Behandlung des Alterns selbst der Schlüssel sein.

Wie lösen wir das Bevölkerungsproblem?

Die Zahl der Menschen auf unserem Planeten hat sich seit den 1960er Jahren auf mehr als 7 Milliarden verdoppelt, und es wird erwartet, dass es bis 2050 mindestens 9 Milliarden von uns geben wird. Wo werden wir alle leben und wie werden wir genügend Nahrungsmittel und Treibstoff für unsere ständig wachsende Bevölkerung erzeugen? Vielleicht können wir alle auf den Mars verfrachten oder anfangen, unterirdische Wohnblocks zu bauen. Wir könnten sogar anfangen, uns mit im Labor gezüchtetem Fleisch zu ernähren. Das klingt vielleicht nach Science-Fiction-Lösungen, aber wir müssen sie vielleicht ernster nehmen.

Ist Zeitreisen möglich?

Zeitreisende sind bereits unter uns unterwegs. Dank Einsteins spezieller Relativitätstheorie erleben Astronauten auf der Internationalen Raumstation, dass die Zeit langsamer tickt. Bei dieser Geschwindigkeit ist die Auswirkung gering, aber wenn man die Geschwindigkeit erhöht, bedeutet dies, dass die Menschen eines Tages Tausende von Jahren in die Zukunft reisen könnten. Die Natur scheint es weniger zu mögen, wenn Menschen den umgekehrten Weg gehen und in die Vergangenheit zurückkehren, aber einige Physiker haben einen ausgeklügelten Plan ausgeheckt, wie man dies mit Hilfe von Wurmlöchern und Raumschiffen erreichen könnte. Man könnte sich damit sogar selbst ein Weihnachtsgeschenk machen oder einige der vielen Fragen beantworten, die die großen Unbekannten des Universums umgeben.

„The Big Questions in Science: The Quest to Solve the Great Unknowns“ (Die Suche nach den großen Unbekannten) wird von Andre Deutsch herausgegeben.