Vince Ebert

Bleiben Sie neugierig!

Macht sauer lustig? Darf man gelben Schnee essen? Und andere Fragen aus der Wissenschaft

Rowohlt E-Book

Inhaltsübersicht

Über Vince Ebert

Vince Ebert, Jahrgang 1968, studierte Physik in Würzburg. Nach dem Studium arbeitete er in einer Unternehmensberatung und in der Marktforschung, bevor er 1998 seine Karriere als Kabarettist begann. Er ist bekannt aus TV-Sendungen wie Mitternachtsspitzen, Ottis Schlachthof, dem Quatsch Comedy Club und TV Total. Sein Anliegen: die Vermittlung wissenschaftlicher Zusammenhänge mit den Gesetzen des Humors. Mit seinem Programm «Physik ist sexy» (2004) machte er sich einen Namen als Wissenschaftskabarettist, der mit Wortwitz und Komik sowohl Laien als auch naturwissenschaftliches Fachpublikum unterhält.

Mehr über den Autor und alle Tourtermine erfahren Sie unter: www.vince-ebert.de

Über dieses Buch

Woher hat der Atompilz seine charakteristische Form?

Wieso sollte man betrunken lieber Auto fahren, statt zu Fuß zu gehen?

Und warum müsste King Kong eigentlich zur Rückengymnastik?

Naturwissenschaft trifft Komik, eine Kombination mit Sprengstoff für unser Gehirn. Von wegen, Chemie ist trocken. Und von wegen, Physik besteht nur aus Formeln, die man nicht versteht. In der ARD-Sendung «Wissen vor 8 – Werkstatt» stellt sich der Diplom-Physiker und Kabarettist Vince Ebert mit Leib und Seele jedem noch so skurrilen naturwissenschaftlichen Phänomen. Für dieses Buch hat er die spektakulärsten zusammengestellt: Warum schmeckt z.B. ein Earl Grey auf dem Gipfel des Mount Everest nicht, wie funktioniert ein Lügendetektor, und warum riechen alle Mülleimer ähnlich, unabhängig von ihrem Inhalt? Verblüffende Antworten auf ungewöhnliche Fragen unseres Alltags. Beste Unterhaltung zum Staunen, Wundern und Dazulernen, für Wissensdurstige aller Altersklassen. Und vor allem: für alle Hasser der Naturwissenschaften, denn ab jetzt haben Sie den Durchblick!

Impressum

Veröffentlicht im Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg, Oktober 2013

Copyright © 2013 by Rowohlt Verlag GmbH, Reinbek bei Hamburg

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt, jede Verwertung bedarf der Genehmigung des Verlages

Redaktion Andy Hartard, HERBERT Management, Frankfurt am Main

Umschlaggestaltung und Innenlayout Änni Perner (Bildnachweis: © Thorsten Wulff)

Schrift DejaVu Copyright © 2003 by Bitstream, Inc. All Rights Reserved.

Bitstream Vera is a trademark of Bitstream, Inc.

ISBN Printausgabe 978-3-499-63043-9 (4. Auflage 2014)

ISBN E-Book 978-3-644-50991-7

www.rowohlt.de

ISBN 978-3-644-50991-7

ein Ehemann kommt überraschend nach Hause und findet seine Frau im aufgewühlten Bett. Er öffnet den Kleiderschrank, darin kauert ein nackter Mann mit Flipchart und Zeigestock, der zu ihm sagt: «Ich kann alles erklären …»

Falls Sie das witzig finden, liegen wir humortechnisch schon mal auf derselben Wellenlänge. Ich möchte Ihnen nämlich in diesem Buch auf vergnügliche Art und Weise die großen und kleinen Geheimnisse aus der Welt der Wissenschaft näherbringen – allerdings ohne Flipchart oder Zeigestock, und selbstverständlich vollständig bekleidet. Warum kann man über glühende Kohlen gehen? Wieso muss King Kong zur Rückenschule? Was ist das Geheimnis einer glücklichen Ehe? Nach dieser Lektüre sind Sie hoffentlich ein wenig schlauer.

Aber ich sag’s Ihnen gleich vorweg: Trotz vieler erstaunlicher Erkenntnisse werden Sie in diesem Buch keine absoluten Wahrheiten finden. Für die sind Theologen und Päpste zuständig. Wir Naturwissenschaftler kennen allenfalls den aktuellen Stand des Irrtums.

Als man vor 200 Jahren zum ersten Mal unter dem Mikroskop männliche Samenzellen gesehen hat, glaubte man, es seien Parasiten (was in gewisser Weise ja auch stimmt). Noch vor wenigen Jahrzehnten hielt man Ärzte, die sich vor einer Operation die Hände wuschen, für Spinner. Und in manchen Provinzkrankenhäusern ist das mitunter immer noch so.

Viele große Denker haben sich in fundamentalen Dingen geirrt. «Das Rebhuhnweibchen kann durch die Stimme des Männchens befruchtet werden», war Aristoteles überzeugt. «Die Strahlen dieses Herrn Röntgen werden sich als Betrug herausstellen», wetterte der große Lord Kelvin. «Lolita und ich bleiben für immer zusammen», hoffte Lothar Matthäus.

Was natürlich nicht bedeutet, dass es keine Wahrheit gibt. Sie existiert, aber Wissenschaft und Forschung können sich ihr immer nur in kleinen und manchmal auch größeren Schritten nähern. Man irrt sich sozusagen nach oben. Und dabei wissen wir niemals, wie weit wir von der absoluten Wahrheit entfernt sind.

Doch ist es wirklich erstrebenswert, die Wahrheit zu kennen? Immerhin weiß man aus der modernen Hirnforschung, dass wir Menschen gar nicht so stark an ihr interessiert sind. Ehrlich gesagt ist unserem Hirn die Wahrheit schnurzegal. Und das ist ausnahmsweise wirklich mal die Wahrheit!

Unser Gehirn ist viel mehr daran interessiert, sich wohlzufühlen, als zu wissen, wieso das Higgs-Boson einen Wirkungsquerschnitt von 80 Picobarn hat oder mit welcher Geschwindigkeit sich die Andromeda-Galaxie auf unsere Milchstraße zubewegt. Deswegen verkaufen sich auch Bücher wie Harry Potter, Herr der Ringe oder die Bibel deutlich besser als Interpretationstechnik der objektiven Hermeneutik oder Einführung in die relativistische Quantenchromodynamik.

Obwohl, ein bisschen was wollen wir schon wissen. Und wenn es nur darum geht, auf der nächsten Party damit protzen zu können: «Wusstest du übrigens, dass jetzt gerade die Andromeda-Galaxie mit 1000 Kilometern pro Sekunde auf unsere Milchstraße zurast? Und ist dir klar, dass das Higgs-Boson einen Wirkungsquer... – hey, wo willst du denn hin?»

Im Laufe der letzten Jahrhunderte haben kluge Wissenschaftler, kreative Denker und findige Ingenieure eine unfassbar große Menge Wissen angesammelt. Einiges davon möchte ich Ihnen in diesem Buch vorstellen: Erkenntnisse und Erfindungen, die unser Leben verändert und unsere Weltbilder komplett über den Haufen geworfen haben. Zum Beispiel wissen wir heute schon, dass es am 16. Juli 2186 die längste Sonnenfinsternis der letzten 5000 Jahre geben wird. Das müssen Sie mir jetzt nicht glauben. Warten Sie einfach ab.

Ich gebe zu, ich bin gerne ein Klugscheißer. Mich interessieren spannende Fragen. Genau das ist das Konzept der ARD-Sendung Wissen vor 8 – Werkstatt, die ich seit nunmehr über zwei Jahren moderiere. Die Idee dazu ist so einfach wie aufregend: Zuschauer stellen Fragen, und ich versuche, sie innerhalb von 145 Sekunden möglichst umfassend zu beantworten. Der kleine Kick Wissen kurz vor der Tagesschau. An dieser Stelle vielen Dank, liebe Fernsehzuschauer, für Ihren Wissensdurst, Ihre Neugier und Ihre vielen, vielen kreativen Gedanken, die meine Redaktion und mich immer wieder aufs Neue vor große Herausforderungen stellen. Denn 145 Sekunden sind ziemlich kurz. Oftmals diskutieren wir in der Redaktionskonferenz lange und intensiv darüber, wie man ein bestimmtes Phänomen so kurz und knackig erklären kann, dass es bei Ihnen, liebe Zuschauer, «klick» macht.

Manche Fragen lassen sich sehr schnell beantworten. Wie funktionieren Wünschelruten? (Gar nicht.) Bekommen Haie Krebs? (Ja, aber sie gehen vorher nicht zum Arzt.) Wenn ein Leberkäsebrötchen 1,10 Euro kostet und der Leberkäse einen Euro mehr als das Brötchen – wie viel kostet dann das Brötchen? (… nicht ganz so leicht, oder?)

Andere Fragen sind so kompliziert, dass man dafür gut und gerne eine 90-Minuten-Sendung produzieren oder eigenes Buch herausbringen müsste. Sind wir alleine im Universum? Ist der Musikantenstadl mit der Evolutionstheorie vereinbar? Wieso steigt die Anziehungskraft von Soßen auf Tischdecken mit der Komplementärfarbe?

In diesem Buch habe ich versucht, die interessantesten Fragen von insgesamt über 100 Wissen vor 8 – Werkstatt-Folgen zusammenzustellen. Und natürlich auch die verblüffendsten Antworten dazu. Treuen Zuschauern wird auffallen, dass einige der im Buch behandelten Fragen neu sind und in den Sendungen (noch) nicht erklärt wurden. Viele davon sind meine persönlichen Favoriten. Skurrile, unorthodoxe Fragen, die ich mit oft noch unorthodoxeren, skurrileren Antworten versehe.

Ich hoffe, Sie haben beim Lesen genauso viel Spaß, wie ich beim Recherchieren und Schreiben hatte. Bleiben Sie neugierig!

Ihr

PS: Falls Ihnen der Wissenschafts-Witz am Anfang gefallen hat, hier noch einer: Zwei Kolibakterien kommen in eine Bar. «Tut mir leid, wir bedienen keine Bakterien», sagt der Barkeeper. «Wieso bedienen?», antworten die beiden. «Wir arbeiten seit ewigen Zeiten in deiner Küche.»

PPS: Und falls Sie mehr wissen wollen oder Plagiatsjäger sind, schauen Sie doch am besten auf meine Homepage www.vince-ebert.de: Dort finden Sie eine ausführliche Auflistung aller Quellen. Denn für dieses Buch habe ich zahlreiche Bücher und Artikel gelesen, mit Fachleuten gesprochen und mich von ihnen inspirieren lassen. Wenn Sie, liebe Leser, weitere spannende Links oder Publikationen kennen oder Fragen zu den im Folgenden angesprochenen Themen haben – mailen Sie mir einfach. Ich würde mich freuen.

Schuld daran ist ein Österreicher. Der Salzburger Physiker Christian Doppler beschrieb das Phänomen 1842 zum ersten Mal. Aufgrund von Berechnungen sagte er voraus, dass sich die Frequenz einer Welle verändern muss, wenn sich die Quelle gegenüber einem Beobachter bewegt. Die Erklärung für den sogenannten Dopplereffekt ist relativ simpel: Töne sind nichts anderes als geschubste Luft, die sich wellenförmig ausbreitet. Es sind also Schallwellen, die durch die Luft zu unserem Trommelfell wandern und es zum Schwingen bringen. Wir hören dann einen Ton. Und dieser Ton ist mal höher und mal tiefer, je nachdem, wie lang die Welle ist: Kurze Wellenlängen entsprechen höheren Tönen, lange Wellenlängen tieferen.

Wenn ein Rennwagen im Leerlauf aufjault, sendet er Schall einer bestimmten Wellenlänge in alle Richtungen aus. Startet er, fährt er seinem eigenen Schall hinterher. Die Wellen werden vor dem Wagen – ähnlich wie bei einer Bugwelle – zusammengedrückt. Die Wellenlänge verkürzt sich also. Hinter dem Wagen passiert genau das Gegenteil: Dort werden die Wellen auseinandergezogen, die Wellenlänge wird größer.

Genau das passiert, wenn der Rennwagen an uns vorbeifährt. Erst hören wir einen hellen, gestauchten Ton, dann den normalen und schließlich den tieferen, gedehnten Ton.

Heutzutage haut einen diese Erkenntnis natürlich nicht mehr aus den Socken. Jedes vorbeifahrende Martinshorn liefert den akustischen Beweis von Dopplers theoretischen Überlegungen. Doch Mitte des 19. Jahrhunderts war ein Nachweis schwierig. Denn um den Effekt wirklich hören zu können, muss sich die Schallquelle mit mindestens 70 Kilometer pro Stunde auf den Beobachter zubewegen, hatte Doppler ausgerechnet. Autos waren zu dieser Zeit aber noch nicht erfunden, und superschnelle Pferdekutschen mit Martinshörnern hatten sich auch nicht so richtig durchgesetzt.

1845 startete Christoph Buys Ballot, ein holländischer Kollege Dopplers, ein skurriles Experiment: Er engagierte mehrere Trompeter und positionierte sie an unterschiedlichen Stellen entlang eines Bahngleises sowie auf einem Eisenbahnwagen – das einzige Fortbewegungsmittel zu jener Zeit, dass die von Doppler berechnete Mindestgeschwindigkeit erreichen konnte. Es war ausgemacht, dass die Musiker auf dem Zug ein «G» spielen sollten, während ihre Kollegen am Bahnsteig den Tonunterschied notierten. Klingt super. Leider war das Experiment ein ziemliches Desaster. Der Lärm der Lok übertönte die Trompetengeräusche, der Heizer konnte die Geschwindigkeit nicht konstant halten, und zu allem Überfluss verpassten die feinen Herren Musiker immer wieder ihren Einsatz. Schon damals war es schwer, gutes Personal zu finden.

Dennoch gelang es Buys Ballot nach mehreren Versuchen, mit diesem schrägen Trompetenkonzert Dopplers Theorie zu bestätigen. Was gleichzeitig auch beweist, weshalb Doppler gegen Mozart – den zweiten berühmten Sohn Salzburgs – popularitätsmäßig bis heute ziemlich abstinkt. Wer weiß, ob Wolfgang Amadeus so berühmt geworden wäre, wäre die Zauberflöte von unzuverlässigen Trompetern unter holländischer Leitung auf einem windigen Eisenbahnzug uraufgeführt worden.

Inzwischen sind Dopplers Erkenntnisse von unschätzbarem Wert. Auf dem Dopplereffekt basieren heute unzählige technische Anwendungen in der Astronomie, Chemie und Medizin. Navigationssysteme von Flugzeugen arbeiten genauso damit wie Radarfallen. Sogar die Urknall-Theorie konnte mit seiner Hilfe bestätigt werden!

Denn der Dopplereffekt lässt sich nicht nur bei Schall-, sondern auch bei Lichtwellen beobachten. Wenn sich eine Lichtquelle von uns entfernt, werden die Wellen, wie beim Schall auch, gedehnt, sodass wir das Licht «röter» sehen.

Vor etwa 100 Jahren erkannten Astronomen, dass das Licht von weit entfernten Sternen hin zu größeren Wellenlängen, also ins Rote, verschoben ist – der Beweis, dass sie sich von uns wegbewegen. Und zwar mit immenser Geschwindigkeit. Rechnet man zurück, so ergibt sich, dass unser Universum vor 13,8 Milliarden Jahren auf einen winzigen Punkt konzentriert war: der Beginn unserer Zeitrechnung.

Eine Lichtquelle, die sich auf uns zubewegt, zeigt übrigens eine Wellenlängenverschiebung ins Grüne. Und das eröffnet phantastische Möglichkeiten: Wenn Sie das nächste Mal an einer roten Ampel geblitzt werden, schreiben Sie einfach in den Anhörungsbogen: «Ich bin so schnell auf die Ampel zugefahren, dass sie durch den Dopplereffekt grün wurde.» Doch Vorsicht: Ein physikalisch bewanderter Polizeibeamter könnte Ihnen daraufhin trotzdem ein Strafmandat verpassen. Denn falls Ihre Aussage stimmt, müssten Sie mit rund 160 Millionen Kilometern pro Stunde durch die Stadt gerast sein. Und das gibt ’ne Menge Punkte in Flensburg …

Es ist allseits bekannt: Wenn Fußballer nicht gerade Fußball spielen, beglücken sie die Welt mit feinsinnigen, philosophischen Kabinettstückchen: «Der Kopf ist das dritte Bein» (Christoph Daum); «Fußball ist ding, dang, dong.» (Giovanni Trapattoni); «Die Schuh’ müsse zum Görddl basse» (Lothar Matthäus).

Wer aber hätte gedacht, dass die Ballkünstler neben geisteswissenschaftlichen auch physikalische Überflieger sind? Fußballspieler können innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde die Flugkurve eines aus 30 Meter Entfernung schräg geschossenen Balles berechnen, sodass er punktgenau auf ihrem Fuß landet. Mathematisch gesehen entspricht das der Berechnung einer komplizierten Differenzialgleichung unter Einbeziehung von Windgeschwindigkeit und Luftwiderstand. Eine Leistung, die selbst ein moderner Computer in dieser Geschwindigkeit nur mit Mühe bewältigen könnte. Wer hätte das gedacht? Wenn es um Flugkurven geht, ist selbst das schlichteste Fußballerhirn dem modernsten Pentium-Prozessor überlegen. Kein Wunder, dass bei solchen rechnerischen Glanzleistungen die rhetorischen Fähigkeiten etwas zu kurz kommen. Oder um mit dem großen Horst Hrubesch zu sprechen: «Manni Banane, ich Kopf, Tor!»

Gemeint ist übrigens Manni Kaltz, der per Innenspannstoß dem Ball eine solche Rotation gab, dass die berühmte Bananenflanke dabei herauskam: Ein Schuss, bei dem die Flugbahn des Balles extrem gekrümmt ist. Aus physikalischer Sicht ein faszinierendes Phänomen.

Im Wesentlichen dreht sich bei der Bananenflanke alles um spezielle Luftströmungen. Dazu ein kleines Experiment, das Sie leicht zu Hause nachmachen können: Stecken Sie einen Strohhalm bündig durch einen Bierdeckel. Nähern Sie sich mit dem Deckel einem Blatt Papier, das flach auf dem Tisch liegt, bis zwischen Deckel und Blatt ein schmaler Spalt bleibt. Nun pusten Sie in das Röhrchen (ob mit oder ohne Alkohol ist in diesem Fall nebensächlich). Was wird passieren? Entgegen unserer Intuition wird das Blatt nicht weggeblasen werden, sondern es saugt sich an den Deckel an. Grund dafür ist der sogenannte Bernoulli-Effekt.

1738 entdeckte der Schweizer Mathematiker Daniel Bernoulli, dass der Druck einer Strömung auf angrenzende Flächen mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Je schneller Luft strömt, desto geringer wird der Luftdruck. In unserem Fall entsteht also zwischen Papier und Bierdeckel ein Unterdruck, der das Blatt in Richtung Deckel zieht.

Bei der Bananenflanke dagegen drückt der Luftdruck den Ball nicht nach oben, sondern gibt die Richtung an. Dafür wird der Ball aus dem Spiel heraus mit dem Fußballschuh angeschnitten. Dabei wird er auf etwa 100 Kilometer pro Stunde beschleunigt und erhält gleichzeitig einen starken Effet, der ihn mit bis zu acht Umdrehungen pro Sekunde um die eigene Achse rotieren lässt. Dreht sich der auf diese Weise angeschnittene Ball gegen den Uhrzeigersinn, so strömt aufgrund der Drehung die Luft auf der 9-Uhr-Seite schneller als auf der gegenüberliegenden 3-Uhr-Seite. Schnelle Luft bedeutet niedriger Druck. Der Ball wird folglich vom Schießenden aus gesehen nach links abgelenkt. Ein zusätzlicher Effekt tritt auf durch Wirbel, die hinter dem Ball entstehen und wie ein Ruder das Ruderboot die Flugbahn des Balls in die gleiche Richtung lenken.

Der erste Wissenschaftler, der das Flugverhalten eines rotierenden Balles näher untersucht hat, war der deutsche Chemiker und Physiker Heinrich Gustav Magnus. Mit Hilfe der Bernoulli-Gleichungen lieferte er Mitte des 19. Jahrhunderts die physikalische Erklärung für das Entstehen der Bananenflanke. Und das, obwohl es damals noch nicht mal die Bundesliga gab! Obwohl die theoretische Grundlage der gekrümmten Flugbahn auf Bernoulli basiert, ging die Erklärung der Bananenflanke unter dem Begriff «Magnus-Effekt» in die Physikbücher ein.

Von all diesen theoretischen Überlegungen hatte der begnadete Manni Kaltz möglicherweise keine Ahnung. Es hätte ihn vielleicht auch nicht interessiert. Im Gegensatz zu Physikern und Ingenieuren, denn auf dem Bernoulli-Effekt basieren eine Vielzahl von technischen Geräten: Wasserstrahlpumpen, Strömungsmesser sowie Ansaugtrichter von Vergasern. Außerdem ist er schuld, dass beim Duschen der verdammte kalte Vorhang immer gegen meinen Körper klatscht. Aber auch das wird Manni Kaltz wahrscheinlich ziemlich wurscht sein. Und Horst Hrubesch erst recht.

Wenn ich es bei mir zu Hause mal richtig krachen lassen will, trinke ich zwei, drei Clausthaler und besorge mir ein paar selbstklebende Briefumschläge. Dann verdunkle ich mein Zimmer und ziehe die gummierten Klebeseiten ruckartig auseinander. Wunderschöne, blaue Lichtblitze werden sichtbar. Tja, manchmal bin ich eben ein ganz schöner Aufreißer.

Bei den beobachteten Funken handelt es sich um echte Mini-Blitze: elektrische Entladungen, mit denen man sogar ganze Rundfunkübertragungen stören kann. Reißt man nämlich einen solchen Briefumschlag neben der Antenne eines Mittelwellenradios auf, verursachen die Blitze ein Knacken im Lautsprecher. Ähnlich, wie das auch während eines Gewitters passiert. Wer hätte das gedacht? Ein popeliger Briefumschlag ist sozusagen Stroboskop und Störsender in einem!

Was hier physikalisch passiert, ist eine komplexe Kettenreaktion. Zunächst einmal werden beim Auseinanderziehen der gummierten Klebestreifen positive und negative Ladungen voneinander getrennt. Eine solche elektrostatische Aufladung kennt jeder, der beim Reiben an einem Acryl-Pulli schon mal eine gewischt bekommen hat. Und damit meine ich nicht die Ohrfeige von der im Pulli steckenden Dame.

Kurzfristig ist also der eine Teil des Klebebandes negativ geladen, der andere positiv. Und das setzt die gesamte Situation ordentlich unter Spannung. Die überschüssigen Elektronen auf der negativ geladenen Klebeseite sagen sich: Ab durch die Mitte, Spannung ausgleichen! Also sausen sie von einer Klebeseite zur anderen, und auf diesem kurzen Weg passiert etwas, das fast unmöglich klingt: In dem schmalen Abstand zwischen den beiden Streifen wird die Luft für kurze Zeit ionisiert: Die beschleunigten Elektronen kollidieren mit den Luftteilchen und schlagen dabei einzelne Elektronen aus den Molekülen heraus. Zurück bleiben positiv geladene Kerne. Es entsteht also nichts Geringeres als ein sogenannter Plasmazustand, ein Gemisch aus freien Ladungsträgern. Genau derselbe Zustand, in dem sich fast die gesamte leuchtende Materie in unserem Universum befindet. Ein Plasma – neben gasförmig, flüssig und fest der VIERTE Aggregatzustand! Das, wovon schon die griechischen Philosophen immer schwärmten! Und Sie können es erzeugen. Zu Hause auf Ihrem Schreibtisch.

Das, was also zwischen Ihrem Briefumschlag funkt, ist nicht der Klebstoff, der leuchtet, sondern die ionisierte Luft. Die freien Elektronen rekombinieren mit den positiven Ionen der Luft, dabei wird das typisch bläuliche Licht abgestrahlt.

Einen ganz ähnlichen Effekt können Sie übrigens erreichen, wenn Sie mit einer Kombizange einen Zuckerwürfel zerdrücken. Auch hier werden durch das Zerstoßen der Zuckerkristalle elektrische Ladungen getrennt, die beim erneuten Zusammenkommen Funken schlagen.

Und sollten Sie in Ihrem Hobbykeller zufälligerweise eine Vakuumkammer installiert haben, können Sie zusammen mit einem weiteren Büroartikel sogar noch eindrucksvollere Strahlung erzeugen: Nehmen Sie eine Rolle Tesafilm, bauen Sie ein Vakuum auf, und rollen Sie dann das Klebeband mit einer Geschwindigkeit von mindestens drei Zentimetern pro Sekunde ab. Das jedenfalls haben Forscher der University of California in Los Angeles getan. Zusätzlich zu den schon bekannten blauen Lichtblitzen konnten sie dabei freiwerdende Röntgenstrahlung beobachten! Dies ist anscheinend möglich, weil die freiwerdenden Elektronen aufgrund des Vakuums auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigen und damit hochenergetische Strahlung freisetzen können. Wenn Ihr Sohn also das nächste Mal mit Verdacht auf Knochenbruch vom Fußballspielen kommt, können Sie sich unter Umständen den Gang zum Radiologen sparen. Eine Rolle Tesafilm und ein Vakuum reichen zur Diagnose.

Ist es nicht faszinierend, mit welch banalen Mitteln man die spektakulärsten physikalischen Effekte erzeugen kann? Um zum Beispiel die aus der Science-Fiction-Serie Star Trek bekannten ominösen Wurmlöcher zu erzeugen, benötigen Sie keine exotische Materie mit negativer Energiedichte, wie das einige theoretische Physiker mit komplizierter Mathematik berechnet haben. Ein hölzernes Frühstücksbrettchen und ein handelsüblicher Kurbelbohrer reichen vollkommen aus.

Wasser ist die einzige chemische Verbindung auf der Erde, die in der Natur in den drei Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig vorkommt. Manche Elemente besitzen sogar noch einen weiteren: «überflüssig». Verwandte zum Beispiel. Aber das nur am Rande.

Besonders in fester Form kann Wasser ziemlich fies sein. Das wissen wir spätestens seit dem Blockbuster «Titanic». Ein beeindruckender Film, der im Gegensatz zum Schiff in Amerika sehr gut ankam. Am 14. April 1912 rammte der Luxusliner einen 300000 Tonnen schweren Eisberg, der den Rumpf des Schiffes seitlich aufriss und es sinken ließ.

Nur 15 Prozent eines schwimmenden Eisberges sind sichtbar. Der überwiegende Teil befindet sich unter der Wasseroberfläche. Warum nur macht ein Eisberg so etwas? Um Seefahrer zu ärgern? Oder damit sich der Mensch zweifelhafte Redewendungen ausdenken kann, wie «Das ist doch nur die Spitze des Eisbergs …»?

Der physikalische Grund liegt in der sogenannten Anomalie des Wassers. Kühlt man chemische Verbindungen ab, so nimmt in der Regel die Dichte der Verbindung zu. Das jeweilige Material nimmt umso weniger Volumen ein, je kälter es wird. Ein Phänomen, das jeder männliche Leser bestätigen kann, der schon mal eiskalt geduscht hat.

Die Volumenverringerung ergibt Sinn, denn Temperatur ist nichts anderes als ein Maß für die Zitterbewegungen von Molekülen und Atomen. Und wenn Sie unter der kalten Dusche noch so zittern – die Moleküle Ihres Körpers tun das bei Kälte immer weniger. Je geringer die Temperatur, desto geringer ist die Bewegungsenergie der chemischen Bausteine. Die Atome und Moleküle schwingen immer langsamer und nehmen folglich immer weniger Raum ein. Die Dichte nimmt zu, das Volumen ab.

Wasser ist vollkommen anders, quasi der bunte Hund unter den chemischen Verbindungen. Kühlt man flüssiges Wasser ab, so verhält es sich volumentechnisch gesehen zunächst ganz normal: Je kälter das Wasser wird, desto weniger Volumen nimmt es ein. Alles gut. Bei 3,98 Grad Celsius hat Wasser eine Dichte von ziemlich genau 1000 Kilogramm pro Kubikmeter. Ein Liter Wasser wiegt bei dieser Temperatur genau ein Kilo. Kühlt man es nun weiter ab, bricht das Wasser die Regeln und verringert seine Dichte plötzlich wieder. Obwohl die Zitterbewegungen der Wassermoleküle weniger werden, benötigen sie komischerweise nicht auch weniger, sondern mehr Volumen. Und bei 0 Grad Celsius legt das Wasser noch einen drauf: Es geht vom flüssigen in den festen Zustand über. Okay, das alleine ist noch keine große Sensation. Schließlich machen das viele Stoffe irgendwann mal. Doch festes Wasser – im Volksmund auch als «Eis» bekannt – ist paradoxerweise leichter als flüssiges. Und zwar um etwa 15 Prozent. Sie erinnern sich: die berühmte «Spitze des Eisberges». Intuitiv würde man denken, dass es sich genau andersrum verhält. Feste Stoffe sind ja schließlich genau deswegen fest, weil ihre Moleküle in einer engen Kristallstruktur zusammengepackt sind. Deswegen sind nahezu alle chemischen Elemente in festem Zustand schwerer als in flüssigem. Bei Wasser ist das aber genau umgekehrt.

Der Grund liegt in seinem speziellen Aufbau: Zwei Wasserstoffatome bilden mit einem Sauerstoffatom das H₂O-Molekül. Der Winkel zwischen den beiden Wasserstoffatomen beträgt etwa 105 Grad. Diese spezielle Form hat zur Folge, dass die beiden Wasserstoffatome leicht positiv und das Sauerstoffatom leicht negativ geladen sind. Es bildet einen sogenannten Dipol. Dadurch entsteht ein kompliziertes Sozialgefüge. Wassermoleküle sind sich gegenseitig nämlich nicht wurscht, sondern üben permanent gegenseitige Anziehungs- und Abstoßungskräfte aufeinander aus. Sie sind bindungsfreudig, aber gleichzeitig auch unbeständig in ihrem Partnerschaftsverhalten. Das erinnert stark an die Achtundsechziger-Zeit.

Bereits in flüssigem Zustand schließen sich die Wassermoleküle über sogenannte Wasserstoffbrücken zu kleineren Grüppchen zusammen. Diese Cluster werden umso größer, je tiefer die Temperatur ist. Bei 3,98 Grad ist das Optimum an Clusterbildung erreicht, die H₂O-Moleküle könnten nicht besser gepackt sein. Sinkt die Temperatur unter 4 Grad, nimmt die Dichte wieder ab, weil sich die Cluster auf wundersame Art und Weise wieder umorganisieren. Bei 0 Grad schließlich ordnen sich die Wassermoleküle in einem festen Gitter mit großen Zwischenräumen an. Die Flüssigkeit wird fest. Dabei ist die Gitterstruktur von Eis wesentlich ineffizienter gepackt als die flüssigen Cluster. Das ist der Grund, warum Eiswürfel auf der Cola schwimmen oder Eisberge im Nordatlantik.

Obwohl die Dichte-Anomalie viele Schüler im Physikunterricht zur Verzweiflung gebracht hat (von den Passagieren der Titanic gar nicht erst zu sprechen), ist sie ein genialer Schachzug der Natur. Sie bewirkt nämlich, dass Seen oder Meere von oben nach unten zufrieren. Nicht auszudenken, es wäre umgekehrt. Schlittschuhfahren zum Beispiel wäre dann nicht möglich.

Am Grund eines tiefen Gewässers kann die Temperatur nicht niedriger sein als 4 Grad. Kälteres Wasser steigt automatisch auf und gefriert an der Oberfläche. So wird ein vollständiges Durchfrieren von unten her verhindert und auch bei strengster Kälte können Wassertiere unter der Eisschicht überleben. Ohne diesen Mechanismus gäbe es vermutlich kein Leben auf der Erde.

Mit einem Gummi kann man die aufregendsten Sachen machen. Ich kann mir vorstellen, in welche Richtung Sie jetzt denken, aber das meine ich nicht. Schließlich ist das hier ein seriöses Wissenschaftsbuch und kein schlüpfriger Groschenroman.

Aus physikalischer Sicht hat Gummi eine faszinierende Eigenschaft, durch die es sich von allen anderen Materialien unterscheidet. Normalerweise dehnen sich Stoffe unter Hitzezufuhr aus und ziehen sich bei Kälte wieder zusammen. Diese Tatsache leuchtet ein, wenn man sich vergegenwärtigt, was Temperatur eigentlich ist, nämlich nichts anderes als die Bewegungsenergie von Atomen und Molekülen. Wenn man eine gespannte Metallfeder mit einem Heißluftföhn erhitzt, nehmen die Zitterbewegungen der einzelnen Metallatome zu. Sie benötigen mehr Platz, die Metallfeder wird folglich länger. Das gilt für nahezu alle gängigen elastischen Stoffe. Ein Gummiband dagegen verhält sich genau umgekehrt. Es zieht sich unter Wärme zusammen und dehnt sich bei Kälte aus. Wie kann das sein?

Das Geheimnis steckt im molekularen Aufbau. Unter dem Mikroskop sieht Gummi ein bisschen so aus wie die Nummer 17 bei Ihrem Lieblingsitaliener: ein unübersichtliches, chaotisches Knäuel aus gekochten Spaghetti. Extrem lange, flexible Polymerketten bilden ein verwickeltes, zerklumptes Netzwerk. Die fadenförmigen Riesenmoleküle, die aus mehreren hunderttausend Untereinheiten, sogenannten Monomeren, bestehen können, bestimmen maßgeblich das Materialverhalten des Gummis.

Wenn Sie ein Gummiband dehnen, schaffen Sie Ordnung im Molekülsalat. Durch das Auseinanderziehen werden die zerknäulten Polymerketten ausgerichtet und liegen plötzlich fein säuberlich aufgereiht dicht an dicht nebeneinander. Und das geht den Polymeren tierisch auf die Nerven. Wie in jeder guten Beziehung braucht nämlich auch ein Kettenmolekül seinen Freiraum. Doch die künstlich herbeigeführte Ordnung schränkt die Bewegungsfreiheit der Polymere ein; ihnen steht nun weniger Platz zu Verfügung als zuvor.

Auch, wenn das jetzt ein herber Schlag für alle Aufräumfanatiker ist: Zu viel Ordnung ist von der Natur überhaupt nicht gewollt. Wenn ich ein physikalisches System sich selbst überlasse und keine Energie hineinstecke, strebt das System nach den Gesetzen der Thermodynamik wie von selbst einen möglichst ungeordneten Zustand an. Das gilt für ein Kinderzimmer genauso wie für einen Schreibtisch. Und für ein Gummiband gilt es erst recht. Sobald man die gestrafften und geordneten Gummipolymerketten loslässt, kehren sie in ihren chaotischen Ursprungszustand zurück. In der Physik hat man sogar einen Namen für diese maximale Unordnung: Man nennt sie den «Zustand der größten Entropie». Buchstäblich jedes System in unserem Universum strebt diesen Zustand an. Deswegen ein Tipp an alle Chaoten: Wenn sich Ihre Ehefrau mal wieder beschwert, dass Sie den Hobbykeller endlich aufräumen sollen, sagen Sie einfach: «Tut mir leid, Schatz, aber ich möchte nicht bewusst gegen das thermodynamische Gleichgewicht des Universums anarbeiten.»

Was aber hat das Konzept der Entropie mit der Einwirkung von Wärme zu tun? Na ja, wenn Sie das Gummi während der Dehnungsphase erhitzen, fangen die Kettenmoleküle an, stärker zu vibrieren. Sie benötigen demnach noch mehr Platz. Und den bekommen sie nur, wenn sie sich stärker zu einem Knäuel zusammenziehen.

Diesen Effekt können Sie übrigens auch im Großen spüren. Nehmen Sie das Ende eines Springseils, und bitten Sie Ihre Frau, das andere Ende zu nehmen. Beginnen Sie nun, das Seil in Schwingungen zu versetzen. Sie werden merken: Je schneller Sie das Seil schwingen, desto schwerer wird es Ihnen beiden fallen, die Enden auf Distanz zu halten. Genauso wie die erwärmte Polymerkette, zeigt auch das Sprungseil die Tendenz, sich zusammenzuziehen. Mit einem durchaus angenehmen Nebeneffekt: Trotz des entstehenden Chaos kommen Ihre Frau und Sie sich wieder näher. Ganz schön heiß, die Sache mit der Entropie, was?

Im September 2011 sorgte eine Forschergruppe im Genfer Kernforschungszentrum CERN für eine wissenschaftliche Sensation: Angeblich fand sie Hinweise darauf, dass sich bestimmte Elementarteilchen, sogenannte Neutrinos, mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten. Ein klarer Verstoß gegen die Spezielle Relativitätstheorie, die besagt, dass nichts schneller sein kann als Licht. Sofort meldeten sich zahlreiche Juristen zu Wort: Könnte man rein rechtlich Neutrinos aus dem Teilchenzoo ausschließen? Wie viele Punkte kostet die Geschwindigkeitsübertretung? Und wäre es möglich, das Tempo der Neutrinos zu verringern, indem man sie durch eine Behörde lenkt?

Ein paar Monate später kam die physikalische Welt wieder in Ordnung. Die schnellen Neutrinos entpuppten sich als simpler Messfehler, verursacht durch einen Wackelkontakt in einer Steckerverbindung. Einstein hatte also gerade noch mal Glück gehabt.

Seit er 1905