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In 1827, the botanist Robert Brown examined the pollen of the plant clarkia pulchella under a microscope. Among these pollen grains, he observed tiny particles moving rapidly and erratically. These particles, as small as a quarter of the thickness of a human hair, were unidentifiable to him. However, the reason this observation holds significant importance in the realm of natural sciences is not due to the identity of the particles (which were actually organelles, i.e., distinguished parts of plant cells that had detached from the pollen grains). Instead, it was the interpretation of the movement of these particles as a potential life force—a mysterious substance that animates life itself—that rendered this observation notable. Observing Brownian motion firsthand, one can intuitively understand why life was inferred: the particles moved in a manner reminiscent of living entities. The bustling yet uniform movements of these particles are indeed fascinating when contemplated.

But what does “reminiscent of living entities” even mean? This question led to an investigation over the following decades, revealing that the particles did not move autonomously; they had no inherent driving force. Instead, they were surrounded by water, containing numerous smaller particles, all of which executed random thermal motions. These particles, driven by the water’s temperature, collided with each other much like billiard balls in perpetual motion. Consequently, the organelles observed by Brown were incessantly and randomly bumped by other particles, resulting in their seemingly self-driven, jittery movements. This randomness can be mathematically described, and countless measurements have confirmed the thermal modeling of Brownian motion. Therefore, the contemporary scientific understanding might render the initial assumption of a life force somewhat naive or even laughable. There is no magic of life here, only a physical phenomenon rooted in inanimate thermal movements.

It seems, however, that a deeper insight is lost in this scientific explanation, one that transcends physical modeling. Scientifically formulated and rigorously tested, we must accept the thermal modeling of Brownian motion as a fact, if we respect the nature of facts themselves. Yet, this does not mean we have addressed, comprehended, or rendered obsolete all philosophical aspects of this story. Simply questioning the assumptions embedded in the explanation above can unearth connections that extend into our own lives. Don’t believe it? Let’s delve deeper.

Perhaps you noticed it upon first reading, or maybe you’ll recognize it upon a second read-through of the penultimate paragraph. Why do the organelles observed by Brown move? Due to thermal motion? What is that? Clearly, without thermal motion, there would be no movement of microscopic particles. Without movement of microscopic particles, no 3D billiards with larger particles, and without 3D billiards, no Brownian motion. Thermal motion appears to be the crux of the matter here, potentially revealing something fundamental.

The nature of the concept of heat was as much a scientific mystery as the nature of life just over a century ago. Although temperatures could be measured using devices like mercury thermometers, the fundamental difference between hot and cold materials remained unexplained. Intuitively, everyone knows what is warm and what is cold without equations or explanations, simply through sensory experience. Yet, no serious explanation could be found for what caused the difference between hot and cold in the material itself. Observations related to Brownian motion led to a fascinating revelation: heat is motion. It is neither a substance nor a fundamental property (like the charge of an electron), nor is it metaphysical magic. Everything around us is always and perpetually in motion at a microscopic level. Every atom oscillates in the metal lattice of the chair you might be sitting on, every water molecule vibrates and wobbles in your glass of water. The air molecules around you move at an average speed of over 600 miles per hour. The number and speed of moving particles determine how warm we perceive a material. Hot water is different from cold water due to the speed of its molecules. If we make the molecules fast enough, they escape the pot as steam. If we place our hand in this hot water, the rapid collision of molecules causes severe damage on our skin. Therefore, heat is an emergent property, not measurable in individual particles (which are just fast or slow), but revealed only when a ensemble of particles is examined simultaneously. Thermal motion, this rapid yet random movement of all small particles, is thus the normal state of our surroundings. The stable, static state we perceive is a sensory illusion. Nothing we see is truly at rest. But why? What keeps everything in motion? The answer is simple: the sun. Without the constant radiation/bombardment from space, even the smallest particles on Earth would cease to move (eventually, the Earth’s core would cool down as well). The surface would be frozen and immobile—no steam, no liquid water, no Brownian motion, and, of course, no life. A way to formulate the essence of Brown’s observation: everything around us is kept in motion by the sun, but we are too large to notice it in everyday life. But does this suffice to point out some deeper truth? Not yet. We subtly employed the same trick as before, this time embedding a conclusion that might be overlooked. No Brownian motion, no life? This requires an explanation.

There is no universally accepted definition of life. No matter how we attempt to define it, a borderline case in nature will challenge this definition. Are we alive? Let’s assume yes. Then other mammals are also alive, by similarity. What about fish? Obviously, yes. Insects? They move and reproduce. Again, a similarity conclusion. Although our guilty conscience does not really weigh heavily on us after an insect “murder,” we still classify them as living. Things become less intuitive when we consider the microorganisms that constitute us—our cells. They move, reproduce, send and receive signals, and possess their own organs called organelles. Should we thus conclude that in our own human form of life, which we all agree exists, the mystery of life is explained by the fact that we are composed of other living entities? We say further investigation is warranted. How do cells function? Do we discover smaller units of life within them as we did with cells in our own body? No, what we find in cells are numerous simple and complex molecules interacting at an astonishing speed. They encounter about half a million other molecules per second due to, of course, Brownian motion. They collide and react with each other as randomly as Brownian motion itself. At this point, all definitions of life by comparison to ourselves collapse. Molecules definitely do not live as we do. They do not move autonomously or reproduce. They are building blocks composed of atoms, physical particles that can be precisely mathematically described. Nevertheless, we see that Brown’s initial interpretation is much closer to reality than our analytical abstraction of thermal motion suggests. Without microscopic motion, nothing can live. Water, carbon, or DNA as the fundamental building blocks of life are often debated, but none of them matter without Brownian motion. It is scientifically fair to say, that molecules moving randomly yet deterministically have constructed all complex structures within our perception. They are not only the force of life but also the force that has brought all complexity into our world. Complexity arising from randomness is a fascinating and controversial topic beyond the scope of this essay. However, realising the connection from Brown’s discovery to us as living beings reveals that microscopic motion not only gives rise to the phenomenon of heat but also to life itself—we move because the sun is continuously and rigorously shaking everything.

Therefore, the bustling movements of microscopic particles not only resemble life but vividly illustrate the fundamental process underlying what we consider life. And we can go even deeper into our own realm of reality: how much is our own life driven by countless interactions beyond our control? Can you control what happens today? Can you control what you are? Can you at least control your own thoughts? We are much more similar to the organelles under Brown’s microscope than we would like to admit.

Being honest to ourselves, we see that we too are subjected to randomness, that everything within and around us moves and propels us through space and time. Conscious control of our life is a myth that can collapse at any moment, causing immense internal turmoil. Each of us has experienced tragedy and questioned the chain of events that led to this tragedy. Each of us knows how the implosion feels, when the myth of control loses its grip. Deterministic randomness, as exemplified by Brownian motion, is not a peripheral phenomenon. It is, frankly speaking, the driving force on all scales of life, orchestrating our own Brownian destiny. Don’t try to take control of this majestic force, for it is so much bigger than you. Rest knowing, that you are part of it.

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Im Jahr 1827 untersuchte der Botaniker Robert Brown unter dem Mikroskop Pollen der Pflanze Clarkia Pulchella. Zwischen diesen Pollen konnte er winzige Teilchen beobachten, die sich schnell und zappelig bewegten. Die Teilchen waren so groß wie ein gevierteltes menschliches Haar dick ist, er konnte sie dementsprechend nicht identifizieren. Warum diese Beobachtung allerdings Naturwissenschaften zum Standardkanon wichtiger Beobachtungen gehört, hat nichts mit der Identität der Partikel zu tun (es waren Organellen, also abgrenzbare Teile von in diesem Fall pflanzlichen Zellen, die sich von den Pollen gelöst hatten). Vielmehr deutete man die Bewegung der Teilchen als mögliche Kraft des Lebens, also jenen mysteriösen Stoff, der Leben zu Leben macht. Schaut man sich eine solche „Brown’sche Bewegung“ selbst an, kann man intuitiv sofort verstehen, warum man hier Leben vermuten kann: Die Teilchen bewegen sich und sie bewegen sich lebensähnlich. Die wuselnden und doch gleichmäßigen Bewegungen bergen eine gewisse Faszination, wenn man sie etwas auf sich wirken lässt.

Halt. Lebensähnlich? Was heißt das? Genau dieser Frage wurde damals auf den Grund gegangen und man etablierte über die nächsten Jahrzehnte: Die Teilchen bewegen sich nicht selbst, sprich sie haben keinen eigenen Antrieb. Vielmehr sind sie umgeben von Wasser in dem wiederum eine Vielzahl anderer, noch kleinerer Teilchen gelöst sind.  Und alle diese winzigen Teilchen führen sogenannte zufällige, thermische Bewegungen aus. Sie alle bewegen sich aufgrund der Wassertemperatur und stoßen ähnlich wie Billardkugeln, die ständig in Bewegung sind, aneinander. Die Organellen unter Browns Mikroskop werden also unaufhörlich und zufällig von allen Seiten von anderen Teilchen angestoßen und führen so ihre scheinbar eigenen, zappelige Bewegungen aus. Diese zufälligen Bewegungen lassen sie mathematisch hervorragend beschreiben, unzählige Messungen konnten die thermische Modellierung der Brown’schen Bewegung bestätigen. Das heutige naturwissenschaftliche Verständnis lässt die ursprüngliche Annahme der Kraft des Lebens daher etwas naiv, für manche gar lächerlich aussehen. Hier gibt es keine Magie des Lebens, nur ein physikalisches Phänomen, basierend auf unbelebten, thermischen Bewegungen.

Ich denke, dass uns wie so oft bei solchen Geschichten ein Teil abhandengekommen ist, der tiefer blicken lässt, als die physikalische Modellierung erlaubt. Nach allen wissenschaftlichen Regeln ausgearbeitet, muss man die Modellierung der Brown’schen Bewegung als Fakt akzeptieren, wenn man die Natur von Fakten an sich respektiert. Das bedeutet aber nicht, dass man alle philosophischen Aspekte dieser Geschichte abgehakt, verstanden oder überflüssig gemacht hat. Es reicht, Annahmen zu hinterfragen, die unterhinterfragt in die Erklärung oben eingehen, um hier etwas zu entdecken, das Zusammenhänge offenbart, die bis in unser Leben selbst reichen. Glauben Sie nicht? Lassen Sie mich erläutern.

Vielleicht ist es Ihnen direkt beim ersten Lesen aufgefallen, vielleicht erkennen Sie es, wenn Sie den vorletzten Absatz noch einmal lesen. Warum bewegen sich die Organellen nun, die Brown beobachten konnte? Aufgrund thermischer Bewegung? Was soll das sein? Eines ist klar: Ohne thermische Bewegung, keine Bewegung von Kleinstpartikeln. Ohne Bewegung von Kleinstpartikeln, kein 3D-Billard mit größeren Partikeln und ohne 3D-Billard keine Brown’sche Bewegung. Die thermische Bewegung scheint hier des Pudels Kern zu sein, da hier etwas sehr Grundlegendes zu lauern scheint.

Neben der Natur des Lebens war ebenso die Natur des Konzepts Wärme noch vor knapp über 100 Jahren ein wissenschaftliches Rätsel. Man konnte schon etwas länger Temperaturen messen, beispielsweise mittels der Ausdehnung von Quecksilber in Glasröhrchen, die man Thermometer nannte. Jedem Menschen war und ist intuitiv klar, was warm und was kalt ist. Dazu benötigt es keine Gleichungen und keine Erklärungen, es ist einfach über Empfindungen zu erlernen. Dennoch konnte lange keine seriöse Erklärung dafür gefunden werden, was denn im Material selbst den Unterschied zwischen warm und kalt erzeugte. Eine neue Art Stoff, die man einfach nicht messen konnte vielleicht (siehe Dunkle Materie)? Auch durch Beobachtung wie die im Zusammenhang mit der Brown’schen Bewegung konnte man eine wahrhaft faszinierende Erkenntnis etablieren: Wärme ist Bewegung. Es ist kein Stoff, keine fundamentale Eigenschaft (wie Ladung bei Elektronen) und wieder mal keine metaphysische Magie. Alles, was sich um uns herum befindet, bewegt sich immer und unaufhörlich, wenn man nur genau genug hinsieht. Jedes Atom schwingt im Metallgitter des Stuhls auf dem sie vielleicht gerade sitzen, jedes Wassermolekül zittert und wabert durch ihr Wasserglas. Die Luftmoleküle um Sie herum bewegen sich mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von über 1000 km/h durch den Raum. Anzahl und Geschwindigkeit der Teilchen in Bewegung bestimmt, wie warm wir ein Material wahrnehmen. Heißes Wasser unterscheidet sich von kaltem durch die Geschwindigkeit der Wassermoleküle. Machen wir die Wassermoleküle zu schnell, können sie sich lösen und aus dem Topf entkommen, wir sehen Wasserdampf. Halten wir unsere Hand in dieses heiße Wasser, prallen so viele Moleküle so schnell auf unsere Haut, das schwerwiegende Schäden entstehen. Wärme ist also eine sog. emergente Eigenschaft. Sie ist nicht an einzelnen Teilchen messbar (die sind nur schnell oder langsam), sondern offenbart sich nur wenn man eine Vielzahl von Teilchen gleichzeitig untersucht. Thermische Bewegung, also diese schnelle, aber zufällige Bewegung aller kleinen Teilchen ist also der Normalzustand in unserer Umgebung. Der stabile, statische Zustand, den wir wahrnehmen, wenn wir uns umsehen, ist ganz rational betrachtet eine Illusion. Nichts, was sie sehen, ist wahrhaft in Ruhe. Aber warum? Wer rüttelt hier an allem? Die Antwort darauf ist leicht: Es ist die Sonne. Ohne das konstante Bombardement aus dem Weltall würden sich auch die Kleinstteilchen der Erde nicht bewegen (evlt. im Kern der Erde solange, bis dieser abgekühlt ist). Die Oberfläche wäre erstarrt und unbewegt. Kein Wasserdampf, kein flüssiges Wasser und keine Brown’sche Bewegung – und natürlich kein Leben. Wir wissen nun also was des Pudels Kern in der Geschichte der kleinen, sich mysteriös bewegenden Teilchen in Browns Mikroskop ist. Alles, was um uns herum ist, wird in erster Instanz von der Sonne in Bewegung gehalten; wir sind nur zu groß, um es im Alltag wahrzunehmen. Aber ich hatte eine Verbindung zu Größerem versprochen, ist sie das bereits? Unterschwellig habe ich wieder zum gleichen Trick wie vorhin gegriffen und diesmal eine Schlussfolgerung eingebaut, die man leicht überlesen kann. Ohne Brown’sche Bewegung kein Leben? Das muss man erklären.

Es gibt keine allgemein anerkannte Definition von Leben. Egal wie man versucht, das Leben zu fassen, kann man in der Natur einen Grenzfall finden, der die festgelegte Definition wieder in Frage stellt. Leben wir? Nehmen wir an, ja. Dann sind andere Säugetiere ebenfalls lebendig, einfach aus Ähnlichkeitsgründen. Was ist mit Fischen? Ja, auch das ist doch offensichtlich. Insekten? Sie bewegen sich, pflanzen sich fort. Auch hier kommt man noch leicht zu einem Ähnlichkeitsschluss, obwohl sich das schlechte Gewissen bei einem „Insektenmord“ durch einen Menschen doch schon sehr in Grenzen hält. Aber Leben, ja! Sehr unintuitiv wird es, wenn wir die Kleinstlebewesen betrachten, aus denen wir aufgebaut sind, unsere Zellen. Sie bewegen sich fort, pflanzen sich fort, senden und empfangen Signale, haben selbst kleine Organe, die wir Organellen nennen. Bei uns selbst also, der Form des Lebens, bei dem wir uns doch alle einig sind, dass es existiert, ist also das Geheimnis des Lebens, dass wir wiederum aus anderen Lebewesen aufgebaut sind? Hier muss man scheinbar weiter graben. Wie funktionieren also Zellen? Kommen hier wieder kleinere Einheiten des Lebens zum Vorschein? Nein, denn was wir in Zellen finden, sind eine Vielzahl einfacher und komplexer Moleküle, die in einer schier unglaublichen Geschwindigkeit miteinander interagieren. Sie begegnen ca. einer halben Million anderer Moleküle pro Sekunde, aufgrund von, na klar, Brown’scher Bewegung. Sie stoßen aneinander und reagieren genauso zufällig miteinander, wie es die Brown’sche Bewegung selbst ist. Spätestens hier brechen alle Definitionsversuche von Leben in sich zusammen. Denn Moleküle leben definitiv nicht so, wie wir uns das vorstellen. Sie bewegen sich nicht selbst, sich pflanzen sich nicht fort. Sie sind Bausteine aus Atomen, physikalischen Partikeln, die wir präzise mathematisch beschreiben können. Dennoch sehen wir, dass Browns erste Interpretation sehr viel näher an der Realität ist, als es uns unsere analytische Abstraktion der thermischen Bewegung glauben lässt. Ohne die Bewegung auf mikroskopischer Ebene kann nichts leben. Oft wird über Wasser, Kohlenstoff oder DNA als Grundbaustein des Lebens diskutiert. Nichts davon spielt jedoch eine Rolle ohne Brown’sche Bewegung. Moleküle, die sich zufällig, aber deterministisch bewegen, haben jegliche komplexen Strukturen konstruiert, die sich innerhalb unserer Wahrnehmung befinden. Sie sind nicht nur die Kraft des Lebens, sondern die Kraft, die sämtliche Komplexität in unsere Welt gebracht hat. Komplexität aus Zufall ist ein spannendes und kontroverses Thema, das in diesem Essay keinen Platz hat. Jedoch bereits an der Verbindung von Browns Entdeckung bis zu uns als Lebewesen kann man beeindruckend erkennen, dass aus der Bewegung von Kleinstteilchen nicht nur das Phänomen der Wärme emergent hervortritt, sondern auch das Leben selbst – wir bewegen uns letztendlich, weil die Sonne Kleinstteilchen nicht zur Ruhe kommen lässt.

Die wuselnden Bewegung Bewegungen von Kleinstteilchen sehen also nicht nur so aus wie Leben, sie veranschaulichen eindrucksvoll den fundamentalsten Prozess, der allem zugrunde liegt, was wir als Leben betrachten. Und man kann noch weiter gehen: Wie sehr ist unser eigenes Leben denn nicht ebenso getrieben von tausenden Interaktionen, die wir nicht kontrollieren können? Können Sie kontrollieren, was heute noch passiert? Können Sie das kontrollieren, was Sie selbst sind? Können Sie wenigstens Ihre eigenen Gedanken kontrollieren? Wir alle sind den Organellen unter Browns Mikroskop sehr viel ähnlicher als wir uns eingestehen wollen. Wenn wir ehrlich zu uns sind, sehen wir, dass auch wir dem Zufall unterliegen, dass alles in uns und uns um herum sich bewegt und uns durch Raum und Zeit stößt. Kontrolle ist ein Mythos, der jederzeit in sich zusammenfallen und so viel Schaden in uns anrichten kann. Jeder von uns hat tragisches erlebt und nach dem Warum gefragt. Jeder von uns implodiert, wenn der Mythos Kontrolle seine Wirkung verliert. Der deterministische Zufall ist, wie man am Phänomen der Brown’schen Bewegung beispielhaft erkennen kann, kein Randphänomen. Es ist rational gesehen die treibende Kraft auf allen Skalen des Lebens und dominiert so unser eigenes Brown’sches Schicksal.