Materie

Die Illusion der Materie:

 

1. Teilchen:

Wenn wir die Welt wahrnehmen, sind wir überzeugt, dass die Dinge so sind, wie es uns unsere Sinne vermitteln. Wir sehen etwas im Außen, hören, betasten, riechen und schmecken. Also muss es da sein. Wir stoßen uns und erhalten einen Eindruck von festen Körpern, so dass wir nie auf die Idee kämen, diese Welt von fester Materie zu hinterfragen. Doch aus was bestehen diese festen Körper? Bislang wurde uns gesagt, dass sie aus unglaublich kleinen Teilchen bestehen, die im Urknall entstanden sind.

Diese Theorie gibt es seit den 1950-er Jahren, nachdem die Biochemiker Stanley Miller und Harold Urey dieses berühmte Experiment unter hoher elektrischer Spannung und unter intensiver Strahlung (z.B. UV-Licht) in einer Glaskugel vorgeführt hatten, indem sie einem "atmosphärischen" Gemisch von Methan, Ammoniak, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickstoff, das in einer "Ursuppe" aus Wasser und Schlamm eingelagert war, elektrische  Blitze zuführten, die zu der Bildung von Aminosäuren führten, die die Grundbausteine der Proteine sind, und auch zur Bildung von stickstoffhaltigen Basen. Damit waren die Grundbausteine der DNS im Labor hergestellt.

Aber sind diese Bausteine wirklich die "Bausteine des Lebens"? Vielleicht der Materie - aber sicher nicht des Lebens. Armin Risi sagt dazu:

"Wäre das Leben ein Produkt von Materie, müsste es zumindest möglich sein, unversehrte Leichen wieder zum Leben zu erwecken, denn dort hat man die Vorgabe aller Organe, die erwiesenermassen jahrelang fähig waren, Leben zu tragen."

(Armin Risi: Der multidimensionale Kosmos. 1999. Bd.2, 39)

 

Was sind das für Teilchen?

Wir wissen, dass alle Materie aus Atomen besteht, die früher als kleinstes unteilbares (atom = unteilbar) Element galten. Atome haben einen Durchmesser von etwa 0,1nm. Ein nm ist ein Nanometer und entspricht einem Millionstel Millimeter (10-9 g). Das Atom ist kleiner als das Licht bzw. die Lichtwelle, die bei 550 nm liegt. Entsprechend klein ist die Masse eines Atoms. Ein Wasserstoff Atom wiegt ca. 10-27 g. Und diese Masse ist dann auch noch zu 99,9 % im Atomkern konzentriert.

Im nächsten Schritt fand man heraus, dass das Atom aus Atomkern und einer Atomhülle mit negativ geladenen Elektronen besteht. Diese Hülle ist etwa 100.000-mal größer als der Radius des Atomkerns - und extrem leicht (9,11×10-31 g) - denn wie oben gesagt, sind  99.9% der gesamten Masse des Atoms im Atomkern enthalten. Die Elektronen sind zudem so klein, dass mit derzeitigen Messmethoden keine Ausdehnung oder Größe gemessen werden kann. Also nicht größer als Null! Zudem wissen wir aber, dass die Anzahl und genaue Position der Elektronen die Eigenschaften des Atoms und damit der molekularen Strukturen grundlegend verändern. Die Frage, die sich einem geradezu aufzwängen muss ist, was ist in den ungeheuren Zwischenräumen? Durch welche Kräfte bzw. Bindungskräfte werden die Elektronen genau in den Bahnen gehalten?

Da man sich unter diesen Zahlen kaum etwas vorstellen kann, eine kurze Veranschaulichung: Vergrößerte man das Atom 100-billionenfach auf Tennisballgröße - also ca. 10 cm, so wäre die Atomhülle in einem Radius von 20 Kilometer entfernt. Der ganze Raum dazwischen ist leer!

Wenn wir uns nun den Atomkern genauer anschauen, dann finden wir dort Protonen und Neutronen in einer Zusammenballung, die zusammen mit dem Überbegriff Nukleonen bezeichnet werden. Die Elementarteilchenphysik fand heraus, dass auch Protonen und Neutronen nicht die kleinste Einheit sind, sondern diese wiederum aus Elementarteilchen, den Quarks, aufgebaut sind. In einem Proton befinden sich immer 3 Quarks mit unterschiedlichen Ladungen, sogenannten Up- und Down-Quarks. Die Masse aller Quarks eines Protons sei nur mit 5% zu veranschlagen, während die restlichen 95% der Protonmasse reine Bindungsenergie sei. Festzuhalten ist, dass der allergrößte Teil der Masse aus Energie besteht! Die Frage nach dem "Woher" der Masse der Quarks bleibt noch immer offen. Kann die Stringtheorie da wirklich eine Antwort geben (siehe unten)? Neben dem Quark gibt es noch weitere Elementarteilchen und zwar die massebildenden Fermionen (Leptonen, Elektronen, Myonen, Neutrinos). 

Aus Quarks zusammengesetzte Teilchen sind die Hadronen, Mesonen (Quark + Antiquark), Pionen, Kaonen, und die Baryonen, die jeweils 3 Quarks aufweisen und Kombinationen bilden. In diesen zusammengesetzten Teilchen gibt es aber immer noch einzelne Quarks, die "Strange Quark" oder "Strange-Antiquark"genannt werden, weil sie auf unerklärliche Weise auftauchen und verschwinden können. Die Lebensdauer der Strange-Quarks ist extrem kurz. Man schätzt sie auf 5x10-8 Sekunden.

Darüber hinaus gibt es noch sogenannte Austauschteilchen, die Bosonen. Das sind die Photonen, Gluonen, Gravitonen (noch nicht nachgewiesen) und W- und Z-Bosonen, die die 4 Grundkräfte übertragen. Vgl. die Erklärungen in Dunkle Energie.

 

Noch einmal eine kurze Veranschaulichung:
Würde man ein Elementarteilchen wiederum auf die Größe eines Tennisballs "aufblasen", dann hätte das ganze Proton insgesamt einen Durchmesser von 100 Meter und das gesamte Atom einen Durchmesser von 2.000 km, wobei im gesamten Raum nur einige winzige Elementarteilchen und Elektronen zu finden wären.

Von der NASA existiert übrigens eine interessante Vergleichsskala, auf der man jede beliebige Größe anschaulich einstellen kann (Nasa)

 

Stringtheorie:

Seit 1968 bzw. 1970 (z.B. Leonard Susskind) gibt es die sog. Stringtheorie, die nicht von Elementarteilchen als den fundamentalen Bausteinen der Raum-Zeit ausgeht (also null-dimensionalen Objekten in Form von Punkten) sondern von vibrierenden, ein-dimensionalen Objekten. Diese ein-dimensionalen Objekte werden Strings genannt (englisch für Fäden oder Seiten).

Kleine Veranschaulichung:
Die Hälfte eines sehr dünnen Gummirings ist in der Nähe eines Basslautsprechers aufgespannt und fängt an zu schwingen, wenn dieser aufgedreht wird. Je mehr Energie - sprich Lautstärke - von außen zugeführt wird, um so mehr schwingt das Gummiteilchen. Die Tonhöhe bzw. -tiefe bestimmen das Schwingungsmuster und die Lautstärke die Schwingungsstärke. Genauso bestimme das Schwingungsmuster des Strings die Teilchenart und die Schwingungsstärke die Teilchenmasse. Damit die Strings in Schwingung geraten, brauchen sie einen energetischen Impuls von außen.

Die Schwingungen der Strings sollen die Elementarteilchen anregen, d.h. ihren Spin beeinflussen.  In jedem String seien alle energetischen Informationen für alle Teilchen in allen dimensionalen Schwingungssystemen enthalten. Alle Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen einschließlich der Gravitation sollen mit dieser Theorie erklärt werden können. Die Länge dieser Strings ist ca. 100 Millionen-Milliarden (1017) mal kleiner als ein Quark oder 100 Milliarden-Milliarden (1021) mal kleiner als ein Atom. Um sie mit unseren technischen Mitteln sehen zu können, müssten sie auf die Hälfte des bislang bekannten Universums vergrößert werden. Es leuchtet ein, dass es hierfür noch keine experimentelle Bestätigung geben kann.

Für mich weist diese Theorie einige Schwachstellen auf. Sie geht von einem System von mindestens 10 Dimensionen aus, ohne beschreiben zu können, wie diese Dimensionen entstehen. Noch kann sie den Teilchen-Wellen-Dualismus der Quanten (siehe unten) erklären.

 

Quanten:

Als im 20. Jdht. der Begriff "Quant" (lat. "wie viel") eingeführt wurde, bezeichnete er die Energie, die das Elektron an das Atom bindet und ihm dadurch Stabilität gibt. Die "Quantenmechanik" und später "Quantenphysik" beschäftigt sich also mit den Elektronen und ihren Bindungsenergien. Quanten sind kleinstmögliche Energie-Einheiten. So ist ein Quantensprung der kleinstmögliche Sprung von einem quantenmechanischen System in ein anderes. Energie werde nicht stufenlos, sondern nur in kleinen Paketen („Energiequanten“) aufgenommen und abgegeben. Licht werde also nicht stufenlos, kontinuierlich ausgesendet, sondern in kleinsten Paketen. Es gebe keine Zwischenzustände, sondern nur diskrete - also direkte, plötzliche, die von einem Zustand direkt in den anderen wechseln.

Heute wird der Begriff "Quant" synonym für "Welle/Teilchen" gebraucht und bezeichnet den Teilchen-Wellen-Dualismus aller Elementarteilchen. Quanten sind Träger einer Informationseinheit zur Übertragung von Energie. Häufig spricht man auch nur von Energiequanten.

Craig Hogan, Direktor des Zentrums für Astroteilchenphysik am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) sowie Astrophysik-Professor für Astronomie an der Universität von Chicago, befasst sich mit dieser Welt der kleinsten Teilchen. Allerdings sind diese Teilchen so winzig, dass sie mit heutigen Methoden nicht beobachtet werden können – auch nicht mit noch so großen Teilchenbeschleunigern. Eine der Theorien, die diese Welt der allerkleinsten Teilchen beschreibt, ist die Schleifen-Quantengravitation mit dem Planck´schen Wirkungsquantum. Danach setze sich der Raum aus winzigen Quanten-Einheiten zusammen, die einen Durchmesser von einer Planck-Länge haben. Diese sei die kleinst-mögliche Ausdehnung im Universum. Sie beträgt 10-33 (ein billionstel trilliardstel) Zentimeter. Der Raum sei nicht glatt und kontinuierlich, sondern unterteilt in einzelne winzige Pakete. So auch die Zeit. Sie bestehe aus kürzest-möglichen Zeitintervallen von 10-43 (zehn trilliardstel trilliardstel) Sekunden Dauer, der Planck-Zeit.  Die Zeit verstreiche nur Augenblick für Augenblick. Es gibt keine flüssigen Bewegungen, sondern die Bewegungen seien eine schnelle Abfolge von Augenblicken, quasi Bild für Bild - wie ein fotographischer Film. Und diese Film-Bilder seien auch noch gekörnt oder gepixelt. Je mehr man ein einzelnes Bild vergrößert (zoomt), um so unschärfer und pixeliger wird das Bild. Quantenphysiker, wie Anton Zeilinger (Universität Wien), und andere sagen, dass diese Raumquanten nur Träger von Informationseinheiten seien und nur Informationen wie Bits übermitteln. Craig Hogan baut zur Zeit den weltgrößten Holometer (viel größer als GEO seinerzeit in Hannover), mit dessen Hilfe er die digitale, gepixelte Natur von Raum und Zeit nachweisen will. Das Experiment ist noch im Gange und erste Ergebnisse werden erst im Jahr 2015 erwartet. Wenn ihm das gelänge, wäre das eine Sensation. Unser gesamtes derzeitiges Weltbild würde mit einem Schlag zusammenfallen.

Ich werde auf den nächsten Seiten zeigen, warum uns dieser Teilchen-Wellen-Dualismus der Quanten eine bessere Erklärung der Realität gibt, als klassische Mechanik oder die Stringtheorie. Die Quanten sprengen alle unsere Vorstellungen von einem festen Raum und festen Körpern, wie wir sehen werden.

 

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Stand: Jan. 2015

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