Warum sind die Atome so klein?

[Hartmut]

Hallo Fans der Naturwissenschaften,

vielleicht seht ihr das heutzutage als eine lächerliche Frage an. Schliesslich wissen wir ja, dass ein Grammmolekül eines Stoffes etwa 10^23 Moleküle enthält (Avogadro- bzw. Loschmidt-Zahl). Allerdings haben wir meist keine anschauliche Vorstellung davon, was diese Zahl bedeutet. Ein sehr eindrücklicher Vergleich wurde dazu von Lord Kelvin gegeben:

Nehmen wir einmal an, dass man alle in einem Glas Wasser enthaltenen Moleküle mit einem Kennzeichen versehen könnte. Dann leere man das Glas in den Ozean aus und rühre diesen gründlich um, bis die gezeichneten Moleküle gleichmässig auf alle sieben Weltmeere verteilt sind. Und wenn man dann irgendwo aus einem der Meere ein Glas Wasser schöpfte, dann würde man darin immer noch ungefähr hundert gekennzeichnete Moleküle finden!

Daraus ersieht man, dass die Atome wirklich sehr klein sein müssen. Ihre tatsächliche Grösse liegt ungefähr zwischen 1/5000 und 1/2000 der Wellenlänge des gelben Lichtes, die ungefähr die Grössenordnung der kleinsten noch durch das Mikroskop erkennbaren Teilchen angibt.

Die eingangs gestellte Frage zielt nun nicht auf die wirkliche Grösse der Atome, sondern bezieht sich auf einen Grössenvergleich. Warum ist im Vergleich zu dem Atom unser Körper so gross? Muss das so sein?

Ich habe das Thema aus zwei Gründen ausgewählt: zum einen möchte ich User wie z.B. Benjamin mal wieder aktivieren, zum anderen hat das Thema Bezug zum Begründer der statistischen Physik, L. Boltzmann, der vor 100 Jahren starb.

Gruss
Hartmut

 

[Muzmuz]

hallo,
ich glaube, die frage ist andersrum offensichtilcher
also "wieso besteht der mensch aus so vielen atomen ?" bzw
"muss der mensch aus so vielen atomen bestehen ?"

könnte es selbstbewusste menschen auch im miniformat, beispielsweise mit 1cm körpergröße geben ?
könnte es bäume im millimetermaßstab geben ?

beides würde ich verneinen
die intelligenz, die ein selbstbewusstsein voraussetzt, bedarf einer gewissen komplexität
diese komplexität wird primär durch die vernetzung einer vielzahl an einzelnen zellen erreicht...vielleicht ist es einem halb so großen gehirn noch mögilch, selbstbewusstsein zu haben, aber sicherlich nicht mehr eines mit einer größe von 1/100 des menschlichen gehirnes
ebenso ist die miniaturisierung von lebenden zellen limitiert
damit eine zelle lebt, braucht sie eine gewisse anzahl von molekülen, die im komplizierten miteinander das leben erhalten

es fällt dabei der faktor 10^10 bis 10^12 auf
eine lebende zelle besteht aus etwa 10^10 bis 10^12 atomen
und ein mensch besteht aus etwa 10^10 bis 10^12 zellen
genauere zahlen kann ich im moment nicht nennen, aber die größenordnung passt
also ein faktor von 10^10 für den schritt ins leben
ein weiterer faktor von 10^10 für den schritt vom leben zum bewusstsein
die zahl der menschen auf der erde nähert sich 10^10 (=10 milliarden)
wenn sich diese verbinden (z.b. vernetzung durch globalisierung)...was entsteht daraus ?

ein faszinierendes feld für vermutungen, hoffnungen, spekulationen

lg,
Muzmuz

 

[Claus]

Zitat von Muzmuz:
also "wieso besteht der mensch aus so vielen atomen ?" bzw
"muss der mensch aus so vielen atomen bestehen ?"

interessante Betrachtung.
ich kenne Katzen in ihrem Verhalten und mit ihrer Intelligenz sehr gut.
Und ich kann mir vorstellen, daß in einem so kleinen Körper, vielleicht auch noch in einem mausgroßen Körper, unter andern Entwicklungsbedingungen eine Intelligenz vergleichbar der des Menschen möglich ist.
Allerdings fällt es schwer, noch wesentlich kleineren Gehirnen eine so komplexe Leistung zuzumuten.

Bäume im Millimetermaßstab- nunja, sind winzige Pflänzchen qualitativ wesentlich anders als Bäume?
Sie haben Wurzeln und leben von Licht und CO2 unter Nutzung von Chlorophyll.

Aber die globalisierte menschheit als biologischen Organismus, das ist kein guter Vergleich.
Obwohl Krebsgeschwüre wie der Islamismus eine Analogie nahelegen.

meint Claus

 

[Muzmuz]

hallo,

ich finde den vergleich insofern gut, denn auch organismen waren zuerst einzeller
dann haben sie sich in gruppen zu mehrzellern (vegleich sippe/gruppe) zusammengetan und zusammen ergeben sie ein "größeres"
als sich etwa 10^10 zusammengetan haben, entstand im verband ein bewusstsein
also eine eigenschaft, die keine einzelne zelle hat, sondern nur die gemeinschaft als ganzes
dazu war es notwendig, nicht 10^10 gleiche zellen zusammenzustecken
es gab viele verschiedene zelltypen, jede mit ihrer aufgabe und unfähig, die gesamtheit zu begreifen

was ist mit der menschheit ?
die menschen diversifizieren sich zunehmend
früher waren menschen zum großteil fähig, sich alleine am leben zu erhalten
sind das die menschen heute ?
die meisten menschen der zivilisation sind nicht mehr fähig, alleine in der natur längere zeit zu überleben
die einzelnen gesellschaften aber erreichen ziele, die ein einzelner nie erreichen könnte
also, was sich im laufe der evolution auf zellülärer ebene statt gefunden hatte, ist jetzt auf individueller ebene beim menschen zu beobachten
spezialisierung, und vor allem in den letzten jahrzehnten enorm ansteigende vernetzung

analog betrachtet, besteht also durchaus die möglichkeit, dass aus der summe wieder etwas neues, für den einzelnen unfassbares, entsteht
vielleicht auch schon entstanden ist, aber eben unmerkbar, weil ein einzelner jene eigenschaft nicht erfassen kann

lg,
Muzmuz

 

[Benjamin]

Na, wenn ich schon auf so freundliche Art namentlich im Eingangsbeitrag erwähnt werde, muss ich mich doch zu Wort melden.

Ich finde die Überlegung von Muzmuz ganz gut. Bevor ich noch zu seinem Beitrag kam, war das auch mein erster Gedanke, dass Atome nämlich deshalb so klein sind, weil wir so groß sind.
Ich will es noch einmal anders formulieren: Ich nehme an, es war der Natur nicht möglich 10 Atomen eine Seele einzuhauchen (wenn ich das so ausdrücken darf). Der Mensch ist ein sehr komplexes Wesen, das scheinbar ~70x10^26 "Bausteine" bedarf, um zu existieren.

Das ganze Thema erinnert mich sehr an den Ausspruch: "Wäre der Mensch klug genug, sein eigenes Denken zu begreifen, müsste er wiederum so umfangreich denken können, dass er sein eigenes Denken erst nicht begreift."

Aber ich will noch einen weiteren Aspekt hinzufügen, warum die Atome meines Erachtens so klein sein müssen.
Die Atome sind die Quelle des Lichtes. Würde unser Körper gerade einmal aus 1000 Atomen bestehen, dann wären wir praktisch pixelartige Wesen. Selbst unsere Augen (und überhaupt unsere gesamten Sinnesorgane) bestehen ja aus Atomen und sind auf die Funktion derselben angewiesen. Würde unser Körper aus 1000 Atomen bestehen, dann wären unsere Augen vielleicht überhaupt nur einzelne Atome. Ein räumliches Sehen wäre völlig unmöglich.

Nicht zu vergessen wäre natürlich auch die Unschärferelation. Wären die Atome nämlich größer, müsste es das Plank'sche Wirkungsquantum auch sein. Damit würde die klassische Physik überhaupt um den Haufen geworfen werden.

Ich weiß zwar nicht genau, warum die Atome so groß sind, wie sie es sind. Aber ich bin davon überzeugt, dass es gut so ist, wie es ist.

mit freundlichen Grüßen
Ben

 

[Claus]

Zitat von benjamin:
Bevor ich noch zu seinem Beitrag kam, war das auch mein erster Gedanke, dass Atome nämlich deshalb so klein sind, weil wir so groß sind.

Unsere Größe als Begründung für die Kleinheit der Atome?

Die Atome, wie wir sie kennen, gab es schon vor 13 000 000 000 jahren.
Uns, die Rasse der hominiden Säugetiere, erst seit (großzügig gerechnet) 13 000 000 Jahren.

Also, die Atome haben sich wohl nicht an uns orientiert.

meint Claus

 

[Muzmuz]

hallo,

ich glaube, benjamin meinte damit die subjektive größe der atome, nicht deren objektive

lg,
Muzmuz

 

[Hartmut]

ich glaube, die frage ist andersrum offensichtlicher
also "wieso besteht der mensch aus so vielen atomen?" bzw.
"muss der mensch aus so vielen atomen bestehen?"

Hallo Muzmuz, Claus und Benjamin,

danke für eure Beiträge. Ihr habt euch aber sehr auf den Menschen fokussiert. Das lag natürlich an meiner Fragestellung. Ich hätte die Frage eher so stellen sollen:

"Wieso besteht ein biologischer Organismus aus so vielen Atomen? Muss das so sein?"

Muzmuz hat ja schon darauf hingewiesen, dass bereits eine einzige lebende Zelle aus einer riesigen Zahl von Atomen besteht. Und Claus hat erwähnt, dass sich winzige Pflänzchen qualitativ nicht von Bäumen unterscheiden. Benjamin hat geschrieben, dass sehr komplexe Wesen wie der Mensch offenbar aus so vielen Bausteinen bestehen müssen, um überhaupt zu existieren; schon ein einziges Sinnesorgan wie unser Auge ist ein komplexes Gebilde.

Zunächst dürfte wohl klar sein, dass nicht die Grösse unserer Körper für die Kleinheit der Atome verantwortlich ist. Wie Claus schon richtig schrieb, existieren die Atome lange bevor es überhaupt Leben gab.

Ausgangspunkt für die Beantwortung meiner Frage ist die sicher einleuchtende Feststellung, dass das Funktionieren eines Organismus exakte physikalische Gesetze verlangt. Die Frage ist nun, ob dies bei einem "Organismus" möglich ist, der nur aus einer geringen Zahl von Atomen besteht.

Wir wissen, dass alle Atome ständig eine ungeordnete Wärmebewegung ausführen, d.h. auf der atomaren Ebene herrscht ein Chaos, das einem geordneten Verhalten entgegenwirkt. Nur im Zusammenwirken einer sehr grossen Zahl von Atomen beginnen statistische Gesetze zu funktionieren. Diese Gesetze lenken das Verhalten dieser Atom-Ensembles mit um so grösserer Genauigkeit, je grösser die Zahl "n" der beteiligten Atome ist. Der Grad ihrer Ungenauigkeit ist durch das statistische Wurzel(n)-Gesetz gegeben: Alle Gesetze der Physik und der physikalischen Chemie sind ungenau innerhalb eines wahrscheinlichen relativen Fehlers von der Grössenordnung 1/Wurzel(n).

Daraus ersieht man, dass ein Organismus eben eine vergleichsweise grobe (makroskopische) Struktur aufweisen muss, damit einigermassen genaue Gesetze für sein inneres Leben wie für seine Wechselwirkung mit der Aussenwelt gelten.

Gruss
Hartmut

 

[Muzmuz]

die frage "geht leben auch kleiner ?" könnte man auch "hintenrum" beantworten:
falls es kleiner ginge, wäre diese kleinheit ein gewaltiger evolutionärer vorteil
sämtliche begrenzten ressourcen würden um ein vielfaches länger ausreichen, und eine vielzahl an kleinen lebewesen ist ungleich widerstands- und anpassungsfähiger als ein großes
(es mag zwar einfach sein, eine einzelne ameise zu killen, aber ein ganzes nest zu vernichten bedarf maßnahmen, die ein größeres tier auch nicht überleben würde, mit ausnahmen von speziellen giften...aber selbst da trifft dieses prinzip zu)

aber die zellen und die mehrzelligen lebewesen sind eben so groß, wie sie sind
demzufolge scheint es also nicht kleiner zu gehen

lg,
Muzmuz

 

[Benjamin]

Unsere Größe als Begründung für die Kleinheit der Atome?

ich glaube, benjamin meinte damit die subjektive größe der atome, nicht deren objektive

So ist es.

Wieso besteht ein biologischer Organismus aus so vielen Atomen? Muss das so sein?

Alles Leben benötigt die Desoxyribonukleinsäure (kurz: DNA). Die DNA ist eine Verkettung komplexer organsicher Moleküle, die wiederum (wie alle Moleküle) aus Atomen bestehen. Die DNA jedoch besteht aus einer sehr großen Anzahl an Atomen.
Ich denke, das muss auch so sein, da die DNA eine Menge an Information enthält.

Damit wage ich eine kurze und einfache Antwort auf deine Frage, Hartmut:
Ein biologischer Organismus besteht deshalb aus so vielen Atomen, weil er so komplex ist. Ich denke, dass eine geringere Anzahl von Atomen nicht ausreichen würde, weil es eine Eigenart der Natur ist, für jeden Umstand oder Vorgang eine möglichst geringe Energie aufzuwenden.
Schließlich ist es ja so, dass die ganze Information in der DNA einzigartig ist. Ein Teil unserer DNA ist zum Beispiel verantwortlich für unsere Augenfarbe. Und diesen Teil gibt es nicht zweimal. Die Natur ist also sehr sparsam. Daher meine Annahme, dass das Leben eine so große Anzahl an Atomen benötigt.

Zunächst dürfte wohl klar sein, dass nicht die Grösse unserer Körper für die Kleinheit der Atome verantwortlich ist.

Ich glaube, auch du hast das falsch aufgefasst.
Ich meinte damit, dass die Aussage, die Atome wären klein, von subjektiver Natur ist. "Die Atome sind deshalb so klein, weil wir so groß sind" sollte das ausdrücken. Groß und klein ist immer vom Betrachter abhängig. Groß und klein ist kein Zustand, sondern eine Beurteilung. Streng genommen gibt es keine richtige Definition für "große Anzahl" an Atomen.
Die Sonne zum Beispiel benötigt eine weit höhere Anzahl an Atomen, um eine Sonne zu sein, im Vergleich zu der Anzahl an Atomen, die nötig sind, um ein Mensch zu sein. Demnach könnte man auch fragen, warum wir nur so wenige Atome brauchen um leben zu können.

mit freundlichen Grüßen
Ben