Naturwissenschaften, allen voran die Physik sowie die mit ihrer Hilfe entwickelten Technologien, haben der Menschheit in den vergangenen gut zweihundert Jahren zu einer enormen Entwicklung verholfen. Gigantische Industrien versorgen Milliarden von Menschen mit Gütern des täglichen Gebrauchs, Züchtung und Düngung ermöglichen Ernteerträge für eine ständig wachsende Bevölkerung, eine weltumspannende Verkehrsinfrastruktur ermöglicht den globalen Austausch von Menschen und Waren auf dem Land, zu Wasser und in der Luft. Satellitengestützte und kabelgebundene Kommunikationsnetze erlauben den Informationsaustausch für diese hochentwickelte Lebensweise unserer Zivilisation. Wir kennen die grundlegenden Gesetze der Natur und nutzen sie vielfältig, wir kennen den Aufbau der Materie bis hinunter zu den Elementarteilchen und verstehen zunehmend das Zusammenspiel der verschiedenen Sphären unseres Planeten. Es liegen also alle Werkzeuge parat, um eine Zukunft zu gestalten, die Bildung, angemessenen Wohlstand und ein gedeihliches Zusammenleben aller Menschen ermöglichen kann.
Doch dieses Bild entspricht leider in vielfacher Hinsicht nicht der Realität. Der Mensch hat dem Planeten durch seine technischen Aktivitäten, durch die Errichtung von Gebäuden, Industrieanlagen und Infrastruktur rund 50 Kilogramm Technik pro Quadratmeter hinzugefügt – die sogenannte Technosphäre. Zudem hat er dem Planeten Veränderungen aufgezwungen, die inzwischen unsere Lebensgrundlagen bedrohen: Man denke an die exzessive Nutzung von Ressourcen, die ständig zunehmende Mobilität, den Verlust von Biodiversität, die Verbreitung von Schadstoffen in der Luft, den Ozeanen und in unseren Böden und den ungebremst zunehmenden Energieumsatz. Wir nennen das aktuelle Erdzeitalter also aus gutem Grund Anthropozän (Seite 118). Diese mit zunehmender Dynamik fortschreitende Entwicklung gipfelt in einem globalen Problem, das der Menschheit trotz jahrzehntelanger Kenntnis und fundierter wissenschaftlicher Aufklärung erst spät (zu spät?) in seiner vollen Tragweite bewusst wird – der Einfluss des Menschen auf das Klima der Erde. Noch kann man das Abschmelzen der Gletscher, die zunehmenden extremen Wetterereignisse oder die Veränderung atmosphärischer Strömungen als Klimakrise bezeichnen. Doch wenn die Entwicklung weiterhin ungebremst voranschreitet, steuert die Menschheit absehbar auf eine Klimakatastrophe zu, die Teile des Planeten unbewohnbar machen und alle ohnehin bekannten Krisenerscheinungen dramatisch verstärken wird.
Bedrohung der Lebensgrundlagen
Wir – und alle künftigen Generationen – stehen also vor der Herausforderung, die Lebensgrundlagen der Menschheit auf diesem Planeten zu erhalten. Menschen sind Teil der Biosphäre, ohne deren intakte Strukturen sie nicht lebensfähig sind. Sauberes Wasser, saubere Luft, fruchtbare Böden, eine Artenvielfalt, die den Kreislauf der Natur am Leben erhält – all das erfordert Anstrengungen in allen gesellschaftlichen Bereichen. Die Physik leistet hier grundlegende Beiträge, weil sie durch die Kenntnisse der natürlichen Abläufe und das daraus resultierende Verständnis des Gesamtsystems Erde-Mensch Handlungsoptionen aufzeigen kann.
Doch nicht nur der Klimawandel und der Verlust der Artenvielfalt bedrohen den nachhaltigen Fortbestand menschlicher Gemeinschaften. Auch Massenvernichtungswaffen können die Menschheit zu großen Teilen oder gar als Ganzes eliminieren. Das Gleichgewicht des Schreckens, das über viele Jahrzehnte die nukleare Katastrophe verhindert hat, wird ausgehöhlt durch die Aufkündigung von Verträgen zur Rüstungsbegrenzung und zu ihrer Kontrolle sowie durch das Streben weiterer Länder nach Atomwaffen. Gleichzeitig werden unter dem Schirm der nuklearen Abschreckung konventionelle Kriege in nie dagewesener Härte ausgetragen. Sie setzen sich über alle entsprechenden Vereinbarungen der Weltgemeinschaft hinweg, bringen unsägliches Leid über Millionen von Menschen und machen viele gemeinsame Bemühungen um die Bewältigung von Klimawandel, Armut und Elend zunichte.
Die Wissenschaft ist besonders gefordert, die notwendigen Fakten und Gesetzmäßigkeiten zu erarbeiten, die dann Grundlage für Entscheidungen auf allen politischen Ebenen sein können. Das erfordert die Integration der Erkenntnisse verschiedener Disziplinen zu den drängenden Menschheitsfragen. Es geht also zunehmend um fachübergreifende Untersuchungen komplexer Problemlagen in einer sich sehr dynamisch entwickelnden Welt.
Was die Physik dazu beitragen kann, erörtern die Beiträge dieses Abschnitts. Dabei zeigt sich, dass die globalen Zukunftsaussichten aus schwierig zu bewältigenden Herausforderungen bestehen. Gleichzeitig bietet die Wissenschaft fundierte Lösungsoptionen an. Dabei muss sich auch die Wissenschaft selbst in ihrer Methodik weiterentwickeln: wir haben es mit (in der Sprache der Physik) offenen, miteinander wechselwirkenden, nichtlinearen Nichtgleichgewichtssystemen zu tun, die wir erst beginnen zu verstehen – insbesondere wenn man disziplinübergreifende z. B. ökonomische, psychologische und soziale Verflechtungen und Rückwirkungen berücksichtigt. Die Aufgabe von Politik und Gesellschaft ist es dann, sich abzeichnende Lösungspfade auch tatsächlich einzuschlagen oder zumindest auszuprobieren.
Aufgaben heute
Zum einen gilt es, den anthropogenen Klimawandel zu bremsen und damit eine Klimakatastrophe zu vermeiden. Dass dies bei globalen Anstrengungen auch gelingen kann, zeigt das Beispiel des Ozonlochs (Seite 275). Die Treibhausgasemissionen müssen sinken, wir müssen Ressourcen deutlich schonender nutzen und Rohstoffe mit bisher nicht gekannter Effizienz wiederverwerten. Inzwischen gibt es auch viele Vorschläge für Maßnahmen, die darüber noch hinausgehen – etwa Methoden, die der Atmosphäre aktiv Kohlendioxid (CO2) entziehen, wie großangelegte Aufforstungen, die Wiedervernässung von Mooren, aber auch die technische Abscheidung von CO2. Allerdings sind Eingriffe in das Erdsystem mit komplexen Folgen verbunden und lassen sich in ihren Auswirkungen trotz weit fortgeschrittener Methoden der Modellierung nicht in allen Konsequenzen absehen. Weil sich der Klimawandel auch durch intensive Gegenmaßnahmen nicht kurzfristig beenden lässt, braucht es zusätzlich noch Strategien und Techniken zur Anpassung – etwa im Küstenschutz oder beim Regen- und Hitzemanagement in Großstädten. Weitere, auch riskante, Möglichkeiten erforscht die Climate Intervention (Seite 271).
Damit diese Zukunftsaufgaben bewältigt werden können, muss die Energieversorgung für alle Aktivitäten der Menschheit sichergestellt sein, und dies auf eine nachhaltige Weise. Der Ausbau erneuerbarer Energien, die Elektrifizierung und grundsätzliche Umstellung der Mobilität und die Transformation der Industrie auf CO2-neutrale Verfahren bei der Erzeugung von Stahl oder Zement sind Entwicklungsfelder, auf denen große Fortschritte nötig, und auch mit den bereits vorhandenen Technologien möglich sind. Andererseits wird die Forschung an neuen Materialien, alternativen Batteriesystemen und vor allem der effizienten Vernetzung vieler lokaler Energieerzeuger noch deutliche Fortschritte bei der Erzeugung und Nutzung von Energie bringen. Voraussetzung ist auch hier ein physikalisches Verständnis nicht nur der jeweiligen technischen Abläufe, sondern des Gesamtsystems Erde. Die Ablösung von Technologien, die auf Verbrennung basieren, durch effektivere, elektrische Verfahren stellt eine gewaltige und nachhaltige Modernisierung unserer Produktionskultur mit vielen Chancen für Innovationen dar. Erneuerbare Energien und effizientere Technologien reichen aus, um weitgehend CO2-neutral zu werden. Doch Photovoltaik und Windenergie brauchen geeignete Flächen und können Folgen für Ökosysteme haben. Auch wenn alle notwendigen Technologien für die Energiewende bereitliegen, werden weiter mögliche nachhaltige Energiequellen wie die Kernfusion erforscht, die allerdings für ein Abwenden der akuten Klimakrise auf jeden Fall zu spät verfügbar und voraussichtlich zu aufwendig und teuer sein wird.
Auch grundlegende neue Erkenntnisse zur Struktur der Materie werden in Zukunft weiterhin gebraucht. Diese könnten in neuen Technologien genutzt werden – etwa Quantentechnologien, die schon heute eine wesentliche Grundlage der globalen Wertschöpfung sind und die immer bestimmender für die weitere Entwicklung werden. Sie helfen Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften und hochgenaue Messverfahren zu entwickeln sowie Quantencomputer zu bauen, welche die Kommunikation sicher machen können.
Informationen, Daten, Kommunikation
Die Weiterentwicklung aller denkbaren Wege der Kommunikation und Informationsverarbeitung ist von besonderer Bedeutung für die Bewältigung der existenziellen Herausforderungen der Zukunft. Immer komplexere Systeme von Industrie, Logistik, Mobilität und Energieerzeugung, aber auch von urbanen Strukturen verlangen neue Kapazitäten für den Informationsaustausch, die Verarbeitung gigantischer Datenmengen, effektivere Sicherheitssysteme und vieles mehr. Hier helfen die Fortschritte auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz. Deren Nutzung lässt noch viele Fragen über die Rolle des Menschen im Umgang mit dieser Technologie offen und bedarf effizienter Kontrolle und Regelung. Zusätzlich brauchen alle Menschen wachsende Kompetenz im Umgang mit Fakten und Informationen. Um die komplexen Probleme zu meistern, bedarf es Fähigkeiten, diese rational zu beschreiben, um zukunftsfähige Entscheidungen treffen zu können.
Als Grundlage all dieser faszinierenden und fortschrittlichen Anwendungen bleibt die Aufgabe für die Physik auch künftig die Erforschung der grundlegenden Naturgesetze. Das betrifft nicht nur den Aufbau der Materie im Kleinen, sondern geht über alle Skalen bis zur Erforschung der Struktur und der Entwicklung des Universums. Die atemberaubend präzisen Beobachtungstechniken, die derzeit sogar die Atmosphären von Exoplaneten untersuchen lassen oder versuchen ihre Monde aufzuspüren, versprechen noch viele fundamentale Einsichten, die auch für die Stellung unseres Planeten im All bedeutsam sind.