Читать книгу Welt ohne Urknall - Christian Hermenau - Страница 9

Die Trägheit und die Zeit, zwei nicht richtig verstandene Begriff, die aber wohl irgendwie eng miteinander zusammenhängen. Verändern wir die Bilder in uns, lösen wir uns von Newton, suchen wir nach neuen Formen der Materie. Formen, denen wir besser die Begriffe unserer Vorstellung zuordnen können. Denn vielleicht ist nicht alles rund in dieser Welt und vielleicht liegt die Stabilität unseres Seins nicht in kleinen harten Kugeln oder in den winzigen schwingenden Seiten der Stringtheorie. Die Welt ist groß, ja sogar sehr groß - groß und weit. Es passt sehr viel Materie in sie hinein. Sehr viele Körper sind auch in ihr enthalten und doch ist der überwiegende Teil des Raums leer. Wir müssen über viele Jahrtausende lange mit einer Rakete reisen, um gerade mal zu unserer Nachbarsonne zu kommen und außerhalb unseres Sonnensystems ist da nur eine unerträgliche Leere. Doch gibt es gleichzeitig wieder so viele Sonnen, die sich in Systemen von Galaxien zusammengeschlossen haben, dass man sie nicht alle einzeln zählen kann. Selbst die Zahl der Galaxien sprengt unsere Vorstellungskraft. Die beteiligten Massen und Ansammlungen von Massen zwischen den großen Leerräumen, die die Bewegungen steuern, können nur in Sonnenmassen angegeben werden und selbst diese Zahlen sind immer noch unfassbar groß. Wir leben in einer Welt des Überflusses. So wird die Bewegung der Erde nicht nur vom Mond, dem Jupiter und den anderen Planeten um unsere Sonne bestimmt, sondern auch von unserem Sternensystem, der Milchstraße, die wiederum zu einem Galaxienhaufen gehört. Doch selbst dieser Galaxienhaufen ist klein im Vergleich zu einem System, 200 Millionen Lichtjahre entfernt, auf das wir uns zubewegen. Und wieder ist auch dieser Norma-Galaxienhaufen noch kleiner, als ein Gebilde weit dahinter, dem Shapley-Superhaufen, welcher noch größer zu sein scheint und tatsächlich aus der Entfernung von vielleicht 400 oder 500 Millionen Lichtjahren immer noch die großräumige Bewegung unserer Milchstraße zu dominieren scheint. Die Gravitation ist eine wirklich weitreichende Kraft. Sie bewirkt alleine, dass sich unsere Milchstraße mit schätzungsweise 600 km/s durch den Raum bewegen. Mit 600 km pro Sekunde nicht pro Stunde. In unseren irdischen Maßstäben wären das also über 200.000 km/h. Schneller als jede Rakete fliegen kann, aber immer noch ein fünfhundertstel kleiner, als die Lichtgeschwindigkeit. Unsere heutigen Raketen schaffen es nur auf 1 km/s. Wir sehen, die Dimensionen sind berauschend und übertreffen alles aus unserer Alltagserfahrung. Trotzdem haben wir die Größe des Universums gut abgesteckt. Wir können mit unseren Lichtteleskopen fast bis an den Rand des Universums sehen und wissen von Objekten, die damals schon entstanden waren. Das Universum selber ist vielleicht eingebettet in einer Unendlichkeit, über die wir nur spekulieren können. Alles was aber zu unserer Welt gehört konnten wir begrenzen. Es ist unerhört groß aber bestimm- und messbar. Darauf sollten wir uns auch beschränken und nur dafür, also für Materie und Raum die irgendwie mit uns zu tun haben, uns befassen, versuchen deren innere Logik zu entschlüsseln. Die Begrenztheit der Größe unseres Universums ist auch weniger ein Problem. Darin gehen die Meinungen kaum auseinander. Es gibt ein Ende. Die Frage ist mehr, gibt es auch im Kleinsten eine Grenze und wenn ja, wo liegt sie? Darin gehen die Ansichten immerhin sehr weit auseinander. Gibt es Singularitäten, was physikalisch keinen Sinn macht, sind die kleinsten Objekte Strings, also noch fast Singuläres? Können wir bis auf die Planckzeit und die Plancklänge heruntergehen, was auch quasi singulär ist oder kommen wir mit den stabilen Elementarteilchen, den Elektronen und Protonen schon an unsere reelle untere Grenze und sind alle anderen künstlich und kurzfristig erzeugten Teilchen nur Augenblicks Zustände?

Gehen wir von der Quantenmechanik auf diese Frage zu, dann erhalten wir schon recht früh eine Grenze des Seins im Kleinsten. Quantenmechanisch können unsere leichtesten stabilen Elementarteilchen mit Masse, schon sehr früh nicht mehr jeden Zustand, jede Raumdichte gleich belegen. Die Strukturdichte der Elektronen beispielsweise, wird uns genauesten durch die Atomhülle aufgezeigt. Das Bewegungsmuster von Elektronen die im Atom festgehalten werden, beschränkt sich auf die Größe der Hülle. Die Elektronen selber sind möglicherweise noch viel kleiner, aber der Raum, den sie sich mit anderen nahen Elektronen teilen, ist relativ begrenzt. Hier zeigen sich die möglichen Zustände, der Raumbereich den Elektronen mindesten benötigen. Und der ist wesentlich größer als ein Elektron oder ein Proton. Auch der Mindestraum der Protonen ist nicht beliebig klein. Auch sie können nur bis zu einem bestimmten Grad einander annähern, bevor es eng, der Raum für Kernteilchen zu dicht wird. Wir schätzen, dass die Protonen und die Elektronen von ähnlicher Größe sind, doch haben die Protonen 1836 mal mehr von dieser trägen Masse und darum liegt ihre Unschärfe auch in einem Bereich der 1836 mal kleiner, als der von Elektronen ist. Doch was macht die beiden Teilchensorten so unterschiedlich, zudem wenn sie in etwa gleich groß sind? Wie zeigt sich in ihnen die Massenträgheit?

Beide Partikel bringen eine elektrische Ladung mit, die exakt für beide gleichgroß, nur von umgekehrten Vorzeichen ist. Will man diese Ladung gleichmäßig auf einer Kugel verteilen und nimmt ganz klassisch ein Kräftegleichgewicht zwischen der Energie, die in einem Elektron steckt und der Ladung, die auf einer Kugel durch ihre Abstoßung eine Gegenkraft erzeugt an, es gibt also auch hier eine Selbstenergie, dann kommt man auf den klassischen Elektronenradius. Dies macht aus der Sicht der Elektrodynamik Sinn und würde auch gar nicht anders funktionieren. Aber über den Atomaufbau und die Elementarteilchen bestimmt nicht die Elektrodynamik, sondern auch wieder die Festkörperphysik oder die Quantenmechanik und die hätte gern für ihre Modelle Teilchengrößen, die im Widerspruch zu dem oben erwähnten, am besten punktförmig, also ganz ohne Ausdehnung sind. Unterstützend zeigen Streuexperimente, dass zumindest dies für Elektronen zu gelten scheint. Bei Protonen nimmt man nun an, dass die Quarks, aus denen man sich die Protonen zusammengesetzt vorstellt, auch strukturlos und damit von punktförmiger, nichtlokaler Größe sind. Die Experimente haben dabei eine Genauigkeit von 10^-19 m überprüft, was den Elektronenradius, mit einer Größe von 10^-15 m weit übertrifft. Und noch ein ungeklärtes Problem kommt hinzu, was sehr überzeugend genau für eine punktförmige Ladungsverteilung spricht. Hätten wir eine Kugel mit der Größe des klassischen Elektronenradius, dann müssten wir ein elektrisches Dipolmoment beobachten. Etwas, das eigentlich immer auftritt, wenn Ladung im Raum verteilt ist. Nähern wir uns im makroskopischen einer geladenen Kugel, dann spüren wir die Ladung vorne immer etwas früher und etwas stärker, weil näher, als die Ladung von der Rückseite. Nach dem so entstehenden Dipolmoment sucht man schon sehr lange doch findet bei aller Genauigkeit bisher nichts. Die Experimente deuten darauf hin, dass die Ladungen nicht mehr als 10^-30 m voneinander getrennt sein dürfen. Wenn das stimmen sollte, was wird dann aus unserer Ladungsdichte. Die Flächenladungsdichte würde, egal wie man die Dinge dreht, ins Unendliche ansteigen. Also wieder das Problem des viel zu viel auf viel zu wenig Raum. Die elektrische Ladung müsste dann auf einer viel zu kleinen Fläche untergebracht werden. Man muss folglich eine der beiden Größen im Mikrobereich opfern. Entweder verhält sich die Flächenladung im Kleinsten anders, wobei man nicht weiß wie, dann kann man auch viel kleinere Strukturen zulassen oder die Elektronen und Protonen haben doch eine Ausdehnung, aber dann müssen die Ergebnisse der Experimente anders gedeutet werden. Dann scheinen die Elektronen zwar nach den Dipol-Experimenten extrem klein zu sein, aber vielleicht stimmt auch etwas mit der Form der Elektronen und Protonen nicht. Vielleicht sind sie gar nicht rund und ausgedehnt, sondern flach und extrem dünn.