Dirk Kalinka Online - Das Prometheus-Universum / Was ist Materie?

Was ist Materie?

Materie, werden jetzt wohl die meisten Menschen sagen, ist alles um uns herum. Alles besteht aus Materie!
Richtig, wenn man es oberflächlich betrachtet. Geht man jedoch eine Frage weiter - wie es im Inneren der Materie aussieht - so wird man erstaunt sein. Es kommen seltsame Dinge ans Tageslicht, die man sich so nicht erträumen würde.

Doch schauen wir uns ein Atom mal genauer an. Woraus besteht es und wie ist es aufgebaut?

Rechts sehen Sie das Bild von Siliziumatomen. Entstanden ist es in einem Rastertunnelmikroskop. Dabei fährt eine hochfeine Nadel, die unter einer gewissen elektrischen Spannung mit der Probe steht (der Tunnelspannung), sehr dicht über die Probe hinweg. Dabei wird die Tunnelspannung konstant gehalten. Um die Tunnelspannung konstant halten zu können muß sich die Nadel über der Oberfläche immer im gleichen Abstand befinden. Die minimalen Hühenunterschiede werden aufgezeichnet und ausgewertet. Damit erhält man ein 3-dimensionales Abbild der Oberläche auch noch im atomaren Bereich.
Dabei dürfen Sie jetzt nicht vergessen wie winzig Atome sind. Sie sind im Mittel zwischen 0,1 und 0,5 nm (Nanometer = 1/1000.000 mm) groß. Um eine einreihige Kette von Atomen von einem Milimeter aufzuziehen bräuchten Sie mindestens 5.000.000 Atome. Das Bild rechts hat im Maßstab übrigens eine Kantenlänge von rund 1,5 nm!
Beim Betrachten des Bildes fällt aber der Abstand der Atome auf. Es gibt unregelmäßige Lücken. Mehr noch, sie scheinen sich gar nicht richtig zu berühren.

Das stimmt auch so. Wer jetzt geglaubt hat Atome würden dicht an dicht liegen irrt hier leider. Sie halten sich beleibe nicht "bei den Händen", sondern halten einen gewissen (wenn auch unregelmäßigen) Abstand ein.
Dazwischen ist nichts - keine Luft wie früher teilweise im Phyikunterricht gesagt wurde - nur Vakuum.

Rechts sehen wir zwei Atome des Siliziums.
Die leicht rauhe und verwaschene Oberfläche ist die Elektronenwolke die um den Atomkern. Sie bildet den äußeren Abschluß des Atoms. Die gelbliche Kugel hat einen Durchmesser von ungefähr 0,1 nm. Genaue Angaben zur Größe kann man aber nicht machen, da Atome keine feste Kugeln sind. Man kann es sich wie eine Wolke am Himmel vorstellen. Von Weitem sieht sie relativ kompakt aus, aber durch ein Fernglas betrachtet verwischen die Ränder der Wolke. So ist es auch beim Atom. Je genauer wir hinschauen desto verwaschener wird es.
Dabei haben wir die Verursacher der Elektronenwolke noch gar nicht gesehen. Das Siliziumatom hat 14 Elektronen. Da erinnert man sich noch an Schulzeiten, wo die kleinen gelben Kügelchen (die die Elektronen darstellen sollten) um einen Atomkern schwirren. Vergessen Sie lieber dieses Bild - es ist so falsch daß es schon weh tut. Das fängt schon mit einem Elektron an. Es hat gar keine Ausdehnung - kann damit also keine Kugel sein. Es hat zwar eine negative Ladung (-1e, oder -1,602176462 · 10^-19 C) und diverse andere Eigenschaften wie Spin etc., aber keine wie auch immer geartete Form und Dimension! Damit haben wir das erste Elementarteilchen was eigentlich aus "Nichts" besteht. Das Atom hat also eine Hülle, die, wenn man es genau nimmt, aus "Nichts" besteht, aber Eigenschaften (Informationen) wiedergeben kann. Demnach können wir unser Bild von Atom schonmal dahingehend revidieren daß es praktisch unsichtbar ist! Wir Menschen nehmen nur eine Information auf die uns eine feste Oberfläche vorgaukelt. Auch bewegt sich dieses "negative Nichts" nicht in Kreisbahnen um den Atomkern. Selbst diesen Gefallen tun uns die Elektronen nicht. Vielmehr "erscheinen" sie bei

Eines noch zur Frabe der Atome: Atome sind farblos. Sie sind weger gelb, rot, blau noch grün. Sie haben einfach keine Farbe. Wenn wir sie direkt sehen könnten so würden sie wohl eher grau erscheinen, wie im Bild rechts dargestellt. Allerdings ist es zweifelhaft ob sie überhaupt ein Erscheinungsbild wir wir es in unserer Welt gewohnt sind haben.

Alle Darstellungen mit einer farblichen Trennung der Bausteine dienen nur der Unterscheidungsfähigkeit. Sie sind willkürlich durch Menschen festgelegt und entspechen in keinster Weise der Natur des Objekts.

Beobachtung erst an einem bestimmten Ort. Nehmen Sie jetzt dieses Erscheinen nicht zu ernst, es ist mehr eine Wahrscheinlichkeit wo Sie es finden könnten. Haben Sie erstmal den Ort eines Elektrons bestimmt, so können Sie nicht sagen wieviel Energie es hat. Messen Sie jedoch die Energie des Elektrons, so können Sie seinen Ort nicht mehr bestimmen. Dadurch, daß das Elektron aber keine Ausdehnung hat, kann es auch keine real sichtbare Hülle um den Atomkern sein. Die Hülle ist vielmehr nur eine Eigenschaft - eine Information - eine Illusion. Rechts sehen Sie das korrigierte Bild vom Siliziumatom. Die Hülle ist nur noch angedeutet und ist in Wirklichkeit nicht real sichtbar. Der kleine weiße Punkt in der Mitte ist der Atomkern. In der Darstellung ist dieser Atomkern vergößert, denn in Wirklichkeit ist der Kern nur 1/10.000-stel so groß wie die Hülle. Im Bild müßte bei korrektem Maßstab der Kern kleiner als ein Pixel auf Ihrem Monitor sein!
Aber gehen wir doch zum Kern vor. Was erwartet uns dort?

Sie ahnen es wahrscheinlich schon.
Links ist der Atomkern dargestellt. Ich sage es gleich vorweg: er sieht in Wirklichkeit so nicht aus. Es ist eine künstlerische Darstellung, ein Phantasieprodukt.
Denn auch hier würden wir eigentlich nichts entdecken können. Warum, ist einfach zu erklären.
Aus Versuchen in Teilchenbeschleunigern weiß man, daß die einzelnen Kernbausteine (Protonen und Neutronen) ebenfalls zusammengesetzte Gebilde sind. Analog zur Atomhülle, die aus den Elektronen gebildet wird, ist ein Proton oder Neutron nur eine Hülle für weitere, kleinere Bausteine - den Quarks. Die äußere Grenze, zum Beispiel eines Protons mit rund 1,5 fm angegeben, ist also nur eine scheinbare Grenze. Die Abkürzung fm steht für Femtometer und ist 1·10^-15m (oder 0,000.000.000.000.01m). Zurück zu unserem Atomkern. Die Hülle der Kernbausteine gibt also nur einen maximalen Wirkungsradius anderer Bauseine wieder. Ein Proton und ein Neutron sind also die Eigenschaftswolken der inneren Bausteine, der Quarks.
Jetzt haben wir wieder Teilchen gefunden, die eigentlich keine Teilchen sind. Ich müßte das Bild links also

korrigieren. Es gibt keine sichtbaren Protonen und Neutronen. Das Bild mußte in dem oben dargestellten Maßstab einfach schwarz sein.
Doch wie sieht es mit den Quarks aus? Sind die wenigsten fest und hart, so das man sie berühren könnte.

Rechts haben wir ein Proton extrem vergrößert. Es hat keine feste Hülle wie schon oben beschrieben wurde, sondern wird aus Quarks aufgebaut. Allerdings nicht nur, denn zu den Quarks gesellen sich noch die Gluonen. Gluonen (engl. to glue = kleben) sind die Austauschteilchen im subatomaren Bereich. Durch sie wird die starke Wechselwirkung übertragen die die einzelnen Kernbausteine (Proton, Neutron und weiteren) zusammenhalten. Von den Gluonen gibt es übrigens 8 verschiedene Typen.
Bei den Quarks sieht es nicht anders aus. Auch sie gibt es in größerer Vielfalt. Bisher sind 3 Generationen bekannt. Zur ersten Generation gehören das Up- und das Down-Quark und ihre Anti-Quarks. Zur zweiten Generation gehören das Strange- und Charme-Quark sowie die dazugehörigen Anti-Quarks. Die dritte Generation wird durch das Bottom- und Top-Quark mit den dazugehörigen Anti-Quarks gebildet.
Die Quarks und die Bausteine der Leptonen (zu denen das Elektron, das Elektron-Neutrino und andere gehören) bilden die Bausteine der Materie. Aber Vorsicht - der Schein trügt vielleicht, denn das Elektron ist schonmal dimensionslos.

Wenn wir das Bild vom Proton anschauen so sehen wir eine Anhäufung von farbigen Punkten. Hier sei angemerkt, daß die farbigen Punkte nur zur Visualisierung dienen und keineswegs die realen Farben wiedergeben.
Der eine oder andere Zeitgenosse hat sicherlich schon gehört das ein Proton oder auch Neutron aus je 3 Quarks bestehen. Das stimmt zwar, ist aber extrem vereinfacht. Die 3 Quarks die gemeint sind, sind die hauptsächlichen Bestandteile des Kernbausteins die ihm auch seine Eigenschaften geben. Mnn nennt sie auch Valenzquarks, aber nur, wenn man ein vereinfachtes Modell der Nuklonen damit meint.
Und jetzt wird es kompliziert im Proton, oder auch Neutron, richtig kompliziert!
Diese jeweils 3 Valenzquarks existieren nicht alleine im Kernbaustein, sondern sind in einen See von Gluonen eingebettet. Daneben gibt es eine sehr hohe Anzahl von Quark-Antiquark-Paaren, die sich permanent bilden und wieder vernichten (annihilieren). Auch die 3 Valenzquarks werden permanent neu gebildet und vernichtet. Das heißt, daß es im praktischen Sinne keine festen Bausteine für ein Proton oder Neutron gibt, sondern diese Bausteine sich in einem steten Fluß des sich Bildens und Vergehens begriffen sind. Darüberhinaus senden in einem Hadron ( zu dieser Gruppe von Elementarteilchen gehören das Proton und das Neutron) die Quarks Gluonen aus, die wiederum sich in Quark-Antiquark-Paare umwandeln. Diese vernichten sich gegenseitig. Ein Perpetuum Mobile von Vernichtung und Erschaffung. Die einzige Bedingung in diesem Durcheinander: Es müssen mindesten die 3 Valenzquarks irgentwie vorhanden sein. In einem Proton sind das 2 Up-Quarks und 1 Down-Quark, in einem Neutron sind es 1 Up-Quark und 2 Down-Quarks. Wenn also eines der Up-Quarks im Proton sich aufflöst, so bildet sich irgentwo im Bereich des Protons gleich wieder ein Up-Quark etc..
Dabei ist aber eines festzustellen: Die Wissenschaft konnte bisher keine genaue Größe für Quarks angeben. NUr ein eventueller maximaler Durchmesser ist im Gespräch. Andererseits könnte ein Quark auch gar keine Ausdehnung haben! Alles ist also noch offen. Dann haben auch die Gluonen noch so ihre Eigenheiten. Sie können mit sich selbst reagieren, obgleich sie eigentlich Austauschteilchen sind für andere Bausteine. Das macht die Sache im Atom recht kompliziert. Zudem wird dem Gluon Masselosigkeit nachgesagt, obwohl in Experimenten eine Masse nicht ausgeschlossen werden kann. Eine Ausdehnung im Sinne von einem festen Körper sucht man aber auch bei ihnen vergeblich.
Das Bild oben mit seinen vielen farbigen Punkten stellt diesen See aus Gluonen und Quarks dar. In diesem See aus "Teilchen" befinden sich 3 sogenannte Valenzquarks, die aber ebenfalls einer permanenten Erneuerung unterliegen. So ein Proton oder Neutron ist also keine feste Kugel, sondern besteht aus einem Brei von ebenfalls nicht besonders festen "Teilchen", die wie Luftblasen im kochenden Wasser entstehen und vergehen.
Darüberhinaus gibt es Überlegungen daß auch Quarks aus noch kleineren Bausteinen bestehen könnten.
Es wäre wie bei den Matrjoschkas, den russischen Puppen aus Holz die sich ineinanderstapeln lassen. Je mehr man dem Innersten nahe kommt desto eher trifft man auf das Gleiche wie außen.
Die scheinbar feste Materie ist also doch nicht so fest wie sie uns erscheint. Und wenn wir den eben genannte Gedanken weiterspinnen so kommen wir in eine Welt in der immer kleinere Bausteine den jeweils nächstgrößeren bilden. Eine unendliche Kette von Bausteinen würde sich der Wissenschaft auftun. Aber, ab einer gewissen Grenze würde dieses System nicht mehr funktionieren. Ab der Größenordnung unterhalb der Planck-Länge, der Plank-Masse oder des Planck-Volumens spielen sich noch seltsamere Dinge ab. Hier würde ein Teilchen mit sehr kleinem Durchmesser eine nahezu unendliche Masse aufweisen. Damit würde auf der kleinen Oberfläche aber auch eine gigantische Gravitation wirken. Diese wäre so groß daß nichts von dem Körper entweichen könnte - schlimmer noch - der Körper des Teilchens würde in sich selbst kollabieren und zu einem Schwarzen Loch werden.

Doch die Wirklichkeit könnte noch krasser aussehen. Nicht nur daß die Teilchen in einem immerwährenden Spiel Entstehen und Vergehen, sie entstehen und vergehen vielleicht gar nicht, sondern wandern zwischen den Welten hin und her. Zwischen unserem sichtbaren Universum und dem Hyperraum. Wie das aussehen und funktionieren könnte lesen Sie im Bereich Das Prometheus-Universum.

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