Unsere Welt zu verstehen:



 Beitrag 0-322
 
 

 
Treiber der Evolution sind spontane Symmetriebrüche

 
 
Unter einem spontanen Symmetriebruch verstehen Physiker den plötzlichen Übergang eines von außen nicht beeinflussten Systems aus einem Zustand Z1 in einen Zustand Z2, der weniger symmetrisch, dafür aber deutlich stabiler ist.
 
Kleinste Kräfte — und daher anscheinend nur der Zufall — entscheiden, wie der neue Zustand aussehen wird.
 
Gutes Beispiel ist ein senkrecht hingestellte dünne Stange: Da das Gravitationsfeld der Erde rotationssymmetrisch ist, wird es ihm völlig gleichgültig sein
     
  • ob die Stange senkrecht steht oder liegt
     
  • und in welche Richtung sie fällt, wenn z.B. eine kleine Luftbewegung oder eine Erschütterung des Bodens sie aus dem Gleichgwicht bringt.

Wer diesen Versuch sehr oft wiederholt, wir feststellen, dass die Richtungen, in welche die Stange nach nur sehr kurzem Stehen umfällt, gleichverteilt sind. Dies zeigt uns, dass den hier wirkenden physikalischen Gesetzen tatsächlich hohe Symmetrie innewohnt — auch wenn das anhand des Einzelfalls nicht erkennbar ist.
 
 
Hier noch ein komplizierteres Beispiel:
 
Sämtliche DNA-Moleküle uns bekannten biologischen Lebens haben die Form einer rechts-drehenden Helix. [ Die Wendeltreppe in mittelalterlichen Burgen dreht sich manchmal nach rechts, manchmal nach links, aber die DNA dreht sich immer nach rechts. ]
 
Es gibt keinen vernünftigen Grund, warum biologisches Leben sich nicht auch auf links-drehende DNA stützen könnte: Sie hätte gleiches chemisches Verhalten, wäre ebenso stabil, und nichts an ihr würde irgendein physikalisches Gesetz verletzen. Der Grund hierfür: Die elektromagnetischen Gesetze, welche die Bildung von Molekülen bestimmen, sind gegenüber Vertauschung von rechts und links völlig unempfindlich. Im Fachjargon ausgedrückt: Der Elektromagnetismus ist spiegelsymmetrisch.
 
 
Interessant am Symmetriebruch ist, dass steigende Temperatur ihn häufig wieder heilt. Es gilt:
     
  • Systeme mit hoher Temeratur sind mehr durch Symmetrie bestimmt, als solche tiefer Temperatur.
     
  • Bei absinkender Temperatur kommt es zu zunehmend mehr Symmetriebrüchen und — makroskopisch gesehen — zur Bildung deutlich vielfältigerer Form.

Man denke z.B. an Wasser: Interessante Eiskristalle oder Eisbrocken jeder nur denkbaren Form gibt es nur, wenn Wasser gefroren ist. All diese Formen verschwinden wieder, wenn sich die Temperatur erhöht und über den Schmelzpunkt von Eis ansteigt.
 
 
Wie sinkende Temperatur die Bildung makroskopischer Formen begünstigt, zeigt auch sehr schön der Magnetismus des Eisens:
 
Er hat keine Vorzugsrichtung, und so ist das Gesamtfeld gleich Null. Unterhalb der Curie-Temperatur aber, setzt das Magnetfeld spontan ein, da sich dann alle Mini-Magnete in gleiche Richtung drehen und so die Rotationssymmetrie der zugrunde liegenden elektromagnetischen Gesetze gebrochen wird. Nur wenn ein Eisenstab zu schnell abgekühlt wird, wird die zufällige Ausrichtung der Mini-Strukturen eingefroren und so die Rotationssymmetrie bewahrt. Der Stab als Ganzes zeigt dann keine magnetische Vorzugsrichtung.
 
Ein fast noch schöneres Beispiel sind Bose-Einstein-Kondensate: Wird eine Menge von Atomen gleichen Typs auf nahezu den absloluten Nullpunkt abgekühlt, verhält sich die gesamte Menge dieser Atome wie ein einziges (bzw. wie eine im Gleichschritt marschierende Kompanie von Soldaten).
 
 
Merken wir uns also:
 
Je mehr Symmetrien einen Prozess bestimmen, desto weniger wird er makroskopisch Formen generieren und erhalten:
 
 
» Hitze geht einher mit ärmlicher Gestaltung — Kälte aber mit reicher Gestaltung «


 


aus Notizen zu:

Was uns oft nicht bewusst ist


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