Wenn die Unterschiede im Universum viel kleiner gewesen wären, gäbe es überhaupt keine Struktur – keine Sterne, keine Planeten, nur eine allgemeine Homogenität. Das Leben, wie wir es kennen, wäre schlichtweg nicht möglich. Wären diese Unterschiede jedoch viel größer, hätte das Universum eine sehr kurze Lebensspanne gehabt, da die dichten Regionen so stark komprimiert gewesen wären, dass sie sich in Schwarze Löcher verwandelt hätten – Gebilde aus Materie so dicht, dass selbst Licht nicht mehr entkommen kann. Das Universum hätte längst in sich selbst kollabiert. Deshalb wird dieses Universum auch oft als ein „Goldilocks-Universum“ bezeichnet – weder zu dicht noch zu leicht, sondern genau richtig für Struktur und Leben. Es ist sehr glücklich für uns, dass das Universum von Anfang an ungleich war und dies auch weiterhin bleibt. Vom gasförmigen Zustand über einen Universums-großen Cluster aus Milliarden von Sternen bis hin zu Galaxien, Planeten und schließlich einem besonderen Planeten, auf dem Leben entstand.

Ein besonders interessantes Beispiel, das zu diesem Thema passt, ist Adrian Bejan. Geboren 1948 an den Ufern der Donau in Rumänien, ist Bejan heute Professor für Maschinenbau an der Duke University in North Carolina und einer der weltweit führenden Experten in Thermodynamik und den fundamentalen Gesetzen der Physik, die die Expansion des Universums lenkten. Vor seiner Studienzeit wuchs Bejan unter der Herrschaft von Nicolae Ceaușescu auf, einem der brutalsten stalinistischen Diktatoren, die der Kommunismus nach dem Zweiten Weltkrieg in Osteuropa hervorgebracht hatte. Wie in allen kommunistischen Ländern sollte Rumänien das Paradies der Arbeiterklasse sein – ein lebendiger Widerspruch zur dekadenten westlichen Welt; eine Gesellschaft, in der niemand etwas fehlte. Was das jedoch bedeutete, sagt Bejan, war, dass jeder gleichermaßen arm und ebenso der Freiheit beraubt war. Niemand durfte etwas sagen, was der offiziellen Sicht widersprach.

„Als ich geboren wurde, war Rumänien zu 70 Prozent bäuerlich und die Bauern waren weitgehend ungebildet“, erinnerte sich Bejan. „Mein Vater war einer von ihnen. Wenn jemand in seinem Dorf die Schule über den vierten Grad hinaus besuchte, war das ein Wunder.“ Nahrung war knapp – Fleisch war in den Geschäften fast nicht mehr zu finden. Bejans Vater, ein Tierarzt, entschloss sich, Hühner im Keller zu züchten, um Eier für die Nachbarn und Freunde zu produzieren, die nur wenig andere Eiweißquellen hatten. „Er ließ einen Freund, einen Elektrotechniker, einen Brutkasten in der Größe eines Schrankes entwerfen“, erklärte Bejan. „Er hatte auch eine Lichtbox in der Größe einer Kleenex-Box. Eine Glühbirne war darin, und ein runder Öffnung, gegen die er das Ei hielt. Das Licht fiel durch das Ei, und wir konnten das Wachstum des Embryos von Abend zu Abend beobachten.“ Die Blutgefäße breiteten sich in alle Richtungen aus, und Bejan war erstaunt über die Ähnlichkeit dieses Musters mit etwas, das ihm später in seinem Leben sehr vertraut wurde: das Delta der Donau.

„Jeden Frühling gibt es eine Flut nach dem Tauwetter. Ich ging oft an den Flussufern angeln. Ich entdeckte, dass der Fluss sich bewegt hatte. Er war nicht mehr an der gleichen Stelle. Der Fluss war lebendig. Er pulsierte.“ Jahre später erkannte Bejan, dass die Blutgefäße auf der Eierschale in ihrer Struktur dem Muster des Donau-Deltas ähnelten. „Absolut dasselbe Design. Und, nun ja, das ist das Leben, sowohl des Tieres als auch des Flusses.“

Jahrzehnte später, als Bejan ein Kühlsystem für Laptops entwarf, erlebte er ein weiteres „Aha-Erlebnis“. Die Struktur, die er für das Kühlsystem entwickelte, erinnerte ihn an die gleiche verzweigte Struktur, die er aus seiner Kindheit kannte. In der Physik bezeichnet man „Flusssysteme“ als Systeme, bei denen etwas aus eigener Kraft von A nach B bewegt wird – sei es der Fluss von Flüssigkeiten, die Verästelung von Bäumen oder die Nervenbahnen des menschlichen Körpers. Bejan bemerkte, dass diese verzweigte Struktur nicht nur in natürlichen Systemen, sondern auch in künstlichen Systemen auftritt, wie zum Beispiel in Kühlsystemen oder Computernetzwerken. Die Struktur folgt einem einfachen Prinzip: Die Strukturen entwickeln sich in eine Richtung, die den Fluss maximiert.

Bejan nannte dieses Prinzip das „Constructal Law“. Es besagt, dass es eine universelle, natürliche Triebkraft für Flusssysteme gibt, sich so zu entwickeln, dass sie den einfachsten Zugang für das, was hindurchfließt, ermöglichen. „Wenn Bewegung aufhört, endet das Leben“, erklärt Bejan. Systeme entwickeln sich immer weiter, aber immer mit dem Ziel, den Fluss zu optimieren. Ein häufiges Missverständnis über die Evolution ist, dass lebende Wesen ursprünglich minderwertig begannen und sich hin zu etwas Höherem entwickelten. In Wirklichkeit geht es bei der Evolution nur darum, die beste Anpassung an die jeweilige Umgebung zu erreichen. Wenn sich diese Umgebung verändert – was stets der Fall ist – müssen auch die Systeme weiterentwickelt werden.

Das Constructal Law macht deutlich, dass sich Flusssysteme in einer Weise entwickeln, dass sie immer effizienter werden, aber es bedeutet nicht, dass der Prozess jemals abgeschlossen ist. Auch der Mensch hat keine „Endstufe“ erreicht; er passt sich nur weiterhin den sich wandelnden Bedingungen an. In jedem Flusssystem, ob es sich nun um die Verästelung von Blutgefäßen, die Struktur von Flusssystemen oder die Organisation einer menschlichen Gesellschaft handelt, folgt der Fluss einer klaren Tendenz: große Ströme führen zu immer kleineren, verzweigten Kanälen. Diese Dynamik, die auch in sozialen Strukturen erkennbar ist – sei es in einer Firma, einer religiösen Gemeinschaft oder einer Armee – erklärt, warum Organisationen so aufgebaut sind: Sie optimieren den Fluss von Informationen oder Ressourcen. Große Einheiten oder Personen sind oft die effizientesten Träger, aber der Fluss, der über diese Strukturen verläuft, erfordert eine immer feinere Verzweigung, um am effektivsten zu funktionieren.

Die grundlegende Einsicht des Constructal Law ist also die Vorstellung, dass die Natur und der Mensch immer danach streben, den Fluss zu verbessern – ob im physikalischen Universum, in biologischen Systemen oder in der sozialen Organisation. Diese Entdeckung zeigt, dass alle Systeme, die überleben wollen, sich kontinuierlich weiterentwickeln müssen, um diesen Fluss zu verbessern. Wenn der Fluss irgendwo gestoppt wird, hört das Leben auf zu existieren. Die Erkenntnis, dass der Fluss in diese Richtung strebt, ist entscheidend, um das Verständnis von Evolution und der Entwicklung von Systemen zu vertiefen.

Wie Thermodynamik und Energie das Verständnis von Wohlstand und Wirtschaft prägen

Der Physiker und Ökonom Charles Ayres hat das Konzept von Wohlstand und Produktion auf eine Weise betrachtet, die über die traditionellen wirtschaftlichen Modelle hinausgeht. In seiner Sichtweise ist die Schaffung von Wohlstand nicht allein das Ergebnis der Rohstoffgewinnung, sondern vielmehr der Transformation dieser Ressourcen in nutzbare Produkte und Dienstleistungen. Ein Ölfeld oder eine Kohlenmine sind ohne die Transformation des gewonnenen Rohmaterials nutzlos. Wohlstand entsteht erst, wenn das Öl gepumpt oder die Erze geschmolzen werden. Dieser fundamentale Gedanke von Ayres ist der Grundsatz, dass Wohlstand in der menschlichen Gesellschaft das Ergebnis einer bewussten und gezielten Umformung sowie Zersetzung von Energie und Materialien ist.

Das traditionelle wirtschaftliche Modell legt seinen Fokus auf zwei Hauptfaktoren: Kapital und Arbeit. In den klassischen Theorien wird der Produktionsprozess als eine Funktion der finanziellen Ressourcen und der Arbeitskraft gesehen. Doch Ayres bringt eine erfrischend andere Perspektive ein, indem er das Element der Energie als einen entscheidenden Faktor betont. Um diese Argumentation besser zu verstehen, muss man die Entwicklung des menschlichen Umgangs mit Energie über Jahrtausende hinweg betrachten.

Unsere frühen Vorfahren lernten bereits vor Tausenden von Jahren, die Energie der Umwelt zu nutzen – ein zentrales Beispiel dafür ist die Entdeckung des Feuermachens. Der Mensch schuf nicht nur Wärme und Licht, sondern benutzte Feuer auch zur Herstellung von Werkzeugen und der Erschaffung von Industrieerzeugnissen, wie etwa dem Brennen von Tongefäßen und dem Schmelzen von Metallen. In der Geschichte haben Menschen kontinuierlich die scheinbar unerschöpfliche Energiequelle von Sonne, Wind und Wasser genutzt. In Anbetracht der minimalen historischen menschlichen Nachfrage nach diesen Ressourcen und der scheinbar grenzenlosen Verfügbarkeit von Energie, war es leicht, die traditionelle wirtschaftliche Sichtweise zu entwickeln, dass es immer genug Energie geben würde. Und bis heute bleibt dieser Optimismus in Bezug auf Energie im Kern der modernen Wirtschaftswissenschaften bestehen.

Doch in Ayres’ Modell spielt Energie eine viel zentralere Rolle. Das traditionelle ökonomische Denken schließt die Energie aus den Produktionsmodellen aus, indem es sie als „Zwischenprodukt“ betrachtet. Sie wird oft stillschweigend aus den Gleichungen entfernt, sobald die Endprodukte existieren. Ayres hingegen argumentiert, dass dies im Widerspruch zu den Gesetzen der Thermodynamik steht. Nach dem ersten Gesetz der Thermodynamik kann Energie weder erschaffen noch zerstört werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Energie muss zu Beginn eines Prozesses vorhanden sein und verschwindet nicht einfach am Ende.

Das zweite Gesetz besagt, dass die Entropie eines Systems, ein Maß für die Unordnung, immer zunimmt. Dies bedeutet, dass mit der Zeit Energie zerstreut wird und immer weniger für nützliche Arbeit zur Verfügung steht. Entropie manifestiert sich in Form von Abwärme und anderen Abfallprodukten, die in den meisten wirtschaftlichen Modellen nicht berücksichtigt werden. Ayres zufolge sind diese Abfälle und ihre Konsequenzen jedoch sehr real, und die Gesetze der Thermodynamik bieten wertvolle Einblicke, wie Ressourcen besser genutzt und Verschwendung vermieden werden kann.

Ein zentrales Konzept in Ayres’ Theorie ist die Unterscheidung zwischen „Exergie“ und „Anergie“. Exergie beschreibt die nützliche Energie, die aus einem Material extrahiert werden kann. Sie stellt die Energie dar, die für produktive Arbeit verwendet werden kann – sei es in einem mechanischen, chemischen oder elektrischen Prozess. Anergie hingegen bezeichnet die nicht nutzbare, verschwendete Energie. Ein gutes Beispiel für Anergie ist die Abwärme, die bei vielen industriellen Prozessen entsteht und ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben wird. Während Exergie einen positiven Beitrag zur Produktion leistet, stellt Anergie einen unvermeidbaren Verlust dar, der jedoch durch effizientere Prozesse minimiert werden kann.

Die Herausforderung liegt in der Optimierung des Verhältnisses zwischen Exergie und Anergie. Ayres argumentiert, dass die Anwendung thermodynamischer Prinzipien auf wirtschaftliche Systeme neue Möglichkeiten eröffnen kann, um diesen Energieverlust zu verringern. Ein anschauliches Beispiel für diese Optimierung ist die Nutzung von Abwärme in Industrieanlagen. In vielen Fällen könnte die Abwärme, die sonst ungenutzt abgegeben wird, für weiterführende Prozesse genutzt werden – etwa um eine Turbine anzutreiben oder ein Gebäude zu heizen. Leider ist dies in der Praxis selten der Fall, da viele Industrieanlagen zu isoliert und unzugänglich sind, um ihre Abwärme effektiv zu nutzen. Dennoch gibt es bereits Initiativen, bei denen solche Abwärme in andere nützliche Prozesse integriert wird. Ein weiteres Beispiel sind Entsalzungsanlagen, die häufig Energie für ihre Prozesse benötigen. In Regionen wie Kalifornien oder dem Nahen Osten, wo Sonnenenergie reichlich vorhanden ist, könnte Solarwärme ideal genutzt werden, um diese Anlagen zu betreiben – doch auch hier wird in vielen Fällen weiterhin fossile Energie verbrannt, anstatt natürliche Energiequellen zu nutzen.

Wenn Ayres über die Abfälle spricht, die bei der Produktion von Waren entstehen, verweist er auf einen weiteren wichtigen Punkt: In einer zunehmend industrialisierten Gesellschaft wachsen nicht nur die Produktionsprozesse, sondern auch die Ineffizienzen, die damit einhergehen. Je komplexer die Prozesse, desto mehr Energie geht verloren. Diese Verschwendung ist eine der größten Herausforderungen der modernen Wirtschaft. Die Komplexität unserer Systeme führt automatisch zu einem höheren Energieverbrauch und einer größeren Entropie.

Ein Beispiel aus der Vergangenheit zeigt, wie politische Entscheidungsträger versucht haben, diesen Herausforderungen zu begegnen. So beauftragte Präsident George W. Bush einige Jahre vor Ayres’ Arbeiten zur Energiepolitik mit einer umfassenden nationalen Energieinitiative. Doch die Erkenntnisse und Lösungen, die Ayres heute vorschlägt, gehen über politische Maßnahmen hinaus und betonen die Bedeutung der systematischen Optimierung von Energieprozessen in allen Sektoren der Gesellschaft.

Die Anwendung thermodynamischer Prinzipien auf die Wirtschaft ist mehr als eine theoretische Übung – sie hat praktische Auswirkungen auf die Art und Weise, wie wir unsere natürlichen Ressourcen nutzen und verschwenden. Die Zukunft liegt in der intelligenten Nutzung von Exergie und der Reduktion von Anergie, um die Effizienz zu steigern und den Ressourcenverbrauch zu minimieren. Ein tiefes Verständnis dieser Prinzipien könnte uns helfen, nicht nur die Umwelt zu schonen, sondern auch die wirtschaftliche Produktion auf nachhaltigere Weise zu gestalten.

Wie das Streben nach einer „Theorie von allem“ unser Verständnis der Welt verändern kann

Laplaces Werk war nicht ohne seine Kritiker. Der Philosoph Henri Bergson argumentierte, dass Laplaces Determinismus die Möglichkeit des menschlichen freien Willens negiere. Andere, wie der Romanautor Fjodor Dostojewski, empfanden seine mechanistische Weltanschauung als kalt und gefühllos. Trotz dieser Einwände war ich fasziniert. Meine einst antagonistische Beziehung zur Physik verwandelte sich allmählich in eine leidenschaftliche Zuneigung. So unmöglich es auch schien, ich wollte in der deterministischen Welt von Laplace leben. Zum ersten Mal in meinem Leben fand ich einen Grund, mich anzustrengen. Ich gewann etwas Schwung. Meine Noten verbesserten sich langsam und sehr zur Überraschung meiner Lehrer und Eltern entschied ich mich, Physik auf dem A-Level zu studieren und hatte schließlich das Glück, einen Platz in Oxford zu bekommen, um Physik zu studieren.

Bald darauf begann ich Dinge zu lernen, die Laplace nicht gekannt hatte. Es gibt die Chaostheorie, die besagt, dass einige deterministische Systeme so empfindlich auf kleinste Veränderungen ihrer Anfangsbedingungen reagieren, dass, obwohl das Ergebnis den durch die Physik vorgegebenen Mustern folgt, eine präzise Vorhersage unmöglich wird. Und es gibt die Quantenphysik, die auf dem Unschärfeprinzip beruht und besagt, dass es unmöglich ist, sowohl den Ort als auch die Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig genau zu messen. Der Akt der Messung selbst verändert das Ergebnis; entweder der Ort oder die Geschwindigkeit wird beeinflusst.

Doch ich lernte auch, dass Physiker über ein Jahrhundert lang im Geiste von Laplaces Werk weitergearbeitet hatten, indem sie nach einer einheitlichen Theorie suchten, die die Unvorhersehbarkeit der Chaostheorie und die Unschärfe der Quantenphysik berücksichtigt und dennoch alle Aspekte des Universums in einem alles umfassenden Modell erklären und miteinander verknüpfen kann. Eine einfache, elegante Gleichung, die vielleicht auf eine Seite passt – die sogenannte „Theorie von allem“. Einer der faszinierendsten historischen Charaktere, auf die ich während meiner Zeit in Oxford stieß, war der wenig bekannte deutsche Physiker und Mathematiker Theodor Kaluza. Ein bescheidener Mann, sprach Kaluza 17 Sprachen und soll sich das Schwimmen in seinen Dreißigern nur durch das Lesen eines Buches beigebracht haben. Im Sommer 1919 schickte Kaluza Dutzende von Briefen an Albert Einstein, in denen er ihm ein potenzielles Durchbruchskonzept vorschlug.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die er einige Jahre zuvor veröffentlicht hatte, lieferte ein neues Modell zur Erklärung der Schwerkraft und des Verhaltens des Universums auf großen Skalen. Diese Theorie war jedoch nicht mit der anderen großen Säule der modernen Physik, der Quantenmechanik, kompatibel, die das Verhalten des Universums auf mikroskopischen Skalen erklärt. Angetrieben von dem tiefen Wunsch, diese Theorien des sehr Großen und des sehr Kleinen zu vereinen, schrieb Kaluza an Einstein mit dem Vorschlag, eine zusätzliche Dimension – eine fünfte Dimension – in Einsteins zuvor vierdimensionales Universum einzuführen. Letztlich konnte Kaluza weder die Schwerkraft noch die Quantenphänomene in einer einzigen Theorie vollständig erklären, doch seine Erkenntnis gilt als Vorläufer der modernen Stringtheorie – der derzeit besten Hoffnung auf die Entwicklung einer Theorie von allem.

Mehr als ein Jahrhundert später bleibt die Suche nach einer einzigen, ultimativen Theorie des physikalischen Universums eines der größten ungelösten Probleme der Wissenschaft. Als meine Zeit in Oxford zu Ende ging, begann ich das Gefühl zu entwickeln, dass dieses Ziel der Vereinigung vielleicht für immer unerreichbar bleiben würde. Und selbst wenn es den Physikern gelänge, eine Theorie von allem zu entwickeln, würde es nicht die Theorie von wirklich allem sein, zumindest nicht die, die ich mir als Teenager erhofft hatte. Sie würde nicht in der Lage sein, all die Komplexitäten des Lebens zu erklären.

Ich entschied mich schließlich, die Welt der Physik hinter mir zu lassen und einen ganz anderen Weg einzuschlagen. Ich wurde Unternehmensberater, dann Politikberater und Redenschreiber in der britischen Regierung und schließlich Strategie-Direktor in der Technologiebranche. Keine dieser Tätigkeiten hatte direkt etwas mit Physik zu tun. Im Laufe der Jahre sammelten sich meine alten Universitätsbücher im Dachboden Staub. Bald vergaß ich, wie man die fortgeschrittene Mathematik anwendet, die nötig ist, um das Verhalten von subatomaren Teilchen zu modellieren, oder die Differentialgeometrie, die der Allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegt, oder viele andere komplexe Themen, die ich einst als Student zu meistern versuchte. Doch ich hörte nie auf, über Physik nachzudenken, und stellte fest, dass ich die erlernten Fähigkeiten in Situationen weit entfernt von der Physik immer wieder anwenden konnte.

Tatsächlich erwies sich die Fähigkeit, wie ein Physiker zu denken – Dinge auf ihre einfachste Form herunterzubrechen, Hypothesen aufzustellen und zu testen, Ergebnisse zu hinterfragen und Antworten auf herausfordernde Probleme zu finden – als äußerst wertvoll. Physik bot eine andere Perspektive auf und Herangehensweise an die Welt. Ideen aus der Physik halfen mir, viele der gleichen Komplexitäten zu begreifen, mit denen ich als Teenager gekämpft hatte. Diese Ideen teile ich in diesem Buch.

Wenn ich mich beispielsweise von Kräften überrollt fühlte, die ich nicht kontrollieren konnte, dachte ich an die Chaostheorie. Viele von uns haben vom „Schmetterlingseffekt“ gehört – das Flügelschlagen eines hypothetischen Schmetterlings in der einen Hemisphäre, das einen Hurrikan in der nächsten auslösen kann. Die Physik lehrt uns, dass dies möglich ist, weil selbst in scheinbar deterministischen Systemen kleinste Abweichungen zu Beginn eines Prozesses dramatische Auswirkungen auf das Endergebnis haben können, was es nahezu unmöglich macht, genau vorherzusagen, was geschehen wird. Und dieses Prinzip gilt genauso für Katastrophen, die Volkswirtschaften und nationale Schicksale treffen. Dies war eine harte Lektion, die ich früh in meiner Karriere lernte, als die Dotcom-Blase platzte und finanzielle Schockwellen rund um den Globus geschickt wurden, was eine Kettenreaktion auslöste, die letztlich dazu führte, dass ich Monate später und Tausende von Kilometern entfernt meinen Job verlor.

In der Physik geht es darum, Veränderungen und ihre Auswirkungen zu begreifen, selbst wenn sie auf den ersten Blick nicht sofort erkennbar sind. Auch wenn Katastrophen nicht verhindert werden können, so können wir unsere Denkweise anpassen, um uns auf sie vorzubereiten.

Als ich mich von den Eigenheiten menschlicher Entscheidungsfindung verwirrt fühlte, wandte ich mich der Quantenphysik zu. Wenige Menschen werden zugeben, irrationale Entscheidungen zu treffen, die der Logik und Vernunft zuwiderlaufen. Doch warum tun wir das so oft, ohne es zu hinterfragen? Quantenphysik ist eine ganze Wissenschaft, die auf scheinbar kontraintuitiven Konzepten basiert – mit hypothetischen Katzen in einer Box, die gleichzeitig tot und lebendig sind, und Objekten, die sowohl Wellen als auch Teilchen sein können, bis man sie misst. Das Schlüsselprinzip, um zu verstehen, wie zwei scheinbar widersprüchliche Dinge gleichzeitig wahr sein können, ist das Prinzip der Superposition. Superposition gilt sowohl für subatomare Teilchen als auch für die Ideen im Kopf von Menschen. In „Die Physik irrationaler Entscheidungen“ wenden wir die Prinzipien der Quantenphysik auf menschliche Kognition an, um die Irrationalität zu verstehen, die Sinn macht. Menschen denken nicht in geraden, sauberen Linien – eine Erkenntnis, die die Irrationalität viel leichter verständlich macht.

Und wenn ich das Gefühl hatte, dass die Welt zutiefst ungerecht ist, versuchte ich wieder, das durch die Augen eines Physikers zu verstehen. In vielerlei Hinsicht war und wird das Universum immer ungleich sein. Weniger als eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall, im Vakuum des Nichts, traten winzige Quantenfluktuationen in der Zusammensetzung des Universums auf. Einige Bereiche hatten mehr Energie als andere. Diese Ungleichheit ermöglichte es, dass sich Energiemengen und Materie verdichteten, was schließlich zur Bildung von Sternen, Galaxien und Planeten führte, die uns am Ende hervorbrachten. In „Die Physik des Weniger“ werden wir sehen, dass das Leben, wie wir es kennen, ohne Ungleichheit nicht entstanden wäre.

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