1. Sichtbares Universum
  2. Galaxien
  3. Sonnensysteme
  4. Planetensysteme
  5. Systeme auf der Erde
  6. Makromoleküle
  7. Moleküle
  8. Atome
  9. Atomkerne
10. Elementarteilchen

1. Sichtbares Universum

Am Anfang ist die Energie (entsprechend einer Temperatur von ca. 10³² K) in einem sehr kleinen Raumzeitgebilde (von der Planck-Größe L_Pl = 1,616 • 10^-35 m bis ca. 10^-26 m) gleichmäßig, also hoch entropisch, verteilt gewesen. Raum und Zeit waren vielfältigen Kräuselungen und Verwerfungen unterworfen.
Durch zufällig auftretende Fluktuationen während der Heisenbergschen Unschärfe entstanden Bedingungen für Felder, welche urplötzlich eine antigravitative Energieentfaltung hervorriefen, die ungefähr 10¹⁰⁰–mal größer war als die abstoßende Wirkung der Kosmologischen Konstante (Λ ~ 10^-52 m^-2). In einer sehr kurzen Zeitspanne von ca. 10^-33 Sekunden dehnte sich der Raum um einen riesigen Faktor von etwa 10⁵¹ aus. Raumverwerfungen und –falten waren mit einem Schlage geglättet. Die gravitative Entropie sank somit stark ab.
Die Theorie der Inflationären Ausdehnung klärt so die Frage, weshalb es einen niederentropischen Frühzustand gab und somit auch den Zeitpfeil, wie wir ihn kennen, von unserer Vergangenheit in die Zukunft. Des Weiteren ergibt sich dadurch auch eine befriedigende Lösung des Problems der gleichmäßigen Verteilung der Hintergrundstrahlung (Mikrowellenstrahlung von 2,7 K) sowie der Isotropie und der extremen Raumglätte (offenes Universum).
Nach 10^-33 Sekunden erlosch also der Impuls des Inflatiofeldes. Die Gravitation ließ nur noch eine stark gebremste Expansion des Raumes zu. Den Friedmann-Modellen zu Folge und in Abhängigkeit der Größe der kritischen Dichte gab es jetzt drei Möglichkeiten der Entwicklung: a) Die Expansion kommt zum Stillstand. Das Universum zieht sich unter seiner Schwerkraftwirkung wieder zusammen und rekollabiert. b) Die Expansion geht unter ständiger Verlangsamung unendlich weiter. Der Raum nähert sich einer bestimmten Größe an. Oder c) Die aktuelle Dichte des Universums liegt unter der Schwelle der kritischen Dichte, so dass es sich unaufhörlich bis in alle Ewigkeit ausdehnt. Das Universum bleibt dann für immer offen.
Der Wert der Hubble-Konstante (H_o = 73 km s^-1 Mpc^-1 = 2,366 • 10^-18 s^-1) führt uns zu einer kritischen Dichte ς_kr von 1,001 • 10^-26 kg m^-3. Da sich aber die Dichte des Universums (ς_U ≈ 10^-27 kg m^-3) im unteren Prozentbereich der kritischen Dichte bewegt und selbst unter Hinzuziehung der heißen und kalten Dunklen Materie die erwartete Abbremsrate des Universums nicht erreicht wird, stellt sich die Frage, wo die restlichen Prozente Materie bzw. Energie sind, die im (aus der Inflationstheorie abgeleiteten) glatten Universum fehlen?
Auch diese Frage konnte mittlerweile beantwortet werden: Die genaue Messung sowohl der Entfernung als auch der Rotverschiebungen von so genannten Supernovae-Standardkerzen vom Typ Ia, ließ keinen anderen Schluss zu, als dass sich ab einem Alter von ca. 7 Milliarden Jahren das Universum beschleunigt ausgedehnt hat. Das war die unerwartete Erklärung der fehlenden Energie.
Und so wie die Aufnahmen des WMAP-Satelliten zu dem genauen Wert der Hubble-Konstante führten, ergaben die weiteren Auswertungen eine exakte Bestätigung des theoretisch vorhergesagten Fluktuationshintergrundes des frühen Universums (der Temperaturabweichungen der Mikrowellenstrahlung im Tausendstelbereich) als auch die Gültigkeit Einsteins Kosmologischer Konstante (siehe oben im Text) mit einem Verhältnis von 70% zu 30% zu Gunsten der Dunklen Energie. Doch eine Frage bleibt nach wie vor: Was ist die Ursache und der Mechanismus der antigravitativen Wirkung der Dunklen Energie? Spontane Symmetriebrüche während der Inflation führten zur Entstehung von unterschiedlichen Kräften und dadurch auch im Endeffekt zu den uns bekannten Elementarteilchen. Nach relevanter Abkühlung des jungen Universums bedingt durch die Ausdehnung des Raumes, konnten die aus dem Gluonen-Quark-Plasma ausgefrorenen und aus drei Quarks bestehenden Wasserstoffkerne nach der Materie-Photonen-Trennung im Gleichklang der Neutronenbildung und noch vor der Kernfusion in den Sternen zu Deuterium, Helium und Lithium fusionieren. Nach weitergehender Abkühlung banden sich die Elektronen exotherm an die Kerne vorzugsweise zu neutralen Wasserstoff- und Heliumatomen. Die dadurch provozierte Rückreaktion zu nackten Kernen wurde durch die Bildung stabilerer Moleküle verhindert. Das nun ca. 10 Grad Kelvin kalte Universum bestand zu einem Großteil aus Wasserstoff und Helium. Durch die exponentielle Vergrößerung der Fluktuationen im aufgeblähten Raum bildeten sich Gebiete mit minimalen Dichteunterschieden heraus. Während der weiteren Expansion begann deshalb als Folge der immer stärker werdenden Gravitationswirkung allmählich die gasförmige Materie zu Sternen- und Planetensystemen sowie Galaxien zu klumpen. Die Entropie stieg nun unaufhörlich an. Im Zusammenspiel mit der Gravitation, Entropieeffekten (Photonen- bzw. Wärmeabgabe) und den diesbezüglichen Strahlungsgegendruck konnte in den Sternen wiederum die Kernfusionsflamme zünden. Darüber hinaus produzierten Supernovae auch alle möglichen schwereren Kerne, so dass über die herausgeschleuderten Elemente des Periodensystems Planeten, Monde und alle anderen kosmischen sowie auch biologischen Objekte entstanden. Unser derzeitig sichtbares Universum ist 1,37 Milliarden Jahre alt, hat einen Durchmesser von mehr als 10²⁶ Meter und in etwa eine Masse aus beobachtbarer Materie von 10⁵³ Kilogramm. >>>zurück zur Auswahl<<<

2. Galaxien

Auf den größten Skalen unseres Universums, als makroskopischer Endzustand sozusagen, stehen Superhaufen aus bis zu sechs Galaxienhaufen. Die Galaxienhaufen wiederum, welche irreguläre (geringe Symmetrieausprägung) bzw. reguläre Formen (mehr oder weniger sphärische Symmetrie mit Zentralgalaxie) aufweisen können, bestehen aus zehn bis einigen tausend Einzelgalaxien. In einem dieser Haufen, der Lokalen Gruppe, bestehend aus weit mehr als zwanzig Einzelsystemen (u.a. Große und Kleine Magellansche Wolke, Andromeda-Nebel) mit einem hohen Anteil an Zwerggalaxien, befindet sich unser Milchstraßensystem.
Die Haufen drehen sich mit viel höheren als den erwarteten Geschwindigkeiten (bis zu weit mehr als 10⁷ ms^-1) um ihr Massezentrum. Die Masse der Galaxienhaufen schwankt zwischen 10⁴² und 10⁴⁵ Kilogramm bei einer Ausdehnung von 10²² bis etwas mehr als 10²³ Meter. Die vorhandenen Massen rechtfertigen keineswegs die außerordentlich hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Galaxien in den Haufen. Es scheint eine Zehnerpotenz an Masse zu fehlen, um dem Newtonschen Gravitationsgesetzen zu genügen. Wir kommen auf diese Sache etwas weiter unten zurück, wenn es um die gleiche Problematik der Rotation in Spiralgalaxien geht.
Die Galaxienhaufen bestehen aus Einzelgalaxien unterschiedlichen Aussehens bzw. abweichender Eigenschaften. Nach der Hubble-Einteilung gibt es Elliptische Galaxien (E), Spiralgalaxien (S), Balkenspiralen (SB), Linsenförmige Galaxien (S0, SB0) und Irreguläre Galaxien (Ir). Einige von ihnen, beispielsweise die elliptische Form kann auch als Zwerggalaxie (D) auftreten. Sie besteht aus bedeutend weniger Sternen, ihre Anzahl übertrifft aber bei weitem die der anderen Galaxienarten. In unserem Universum gibt es durchschnittlich etwa 10 Milliarden Galaxien (jede mit ca. 100 Milliarden Sternen).
Elliptische Galaxien haben Formen von nahezu kugelförmig bis stark abgeplattet (E0 bis E7). In ihnen findet keine Sternenbildung statt. Stattdessen zeichnen sie sich durch starke Röntgenemissionen von flächenhafter Form und als Halo aus, dessen Ursache ionisiertes Gas mit einer Temperatur von mehreren Millionen Kelvin ist. Die durchschnittliche Masse von Elliptischen Galaxien beträgt 10⁴² Kilogramm bei einer Ausdehnung von etwa 10²¹ bis 10²² Meter. Als Zwerggalaxien werden sie nicht größer als 10²⁰ Meter bei Massen um 10³⁸ Kilogramm.
Spiralgalaxien weisen die komplexesten Strukturen auf. Charakteristisch sind die, mathematischen Prinzipien (logarithmische Spirale) folgende, Ausprägung von Spiralarmen. Die Theorie ihrer Entstehung als alleiniges Ergebnis der Gravitation über ein Dichtewellenphänomen ist mehr als vierzig Jahre alt. Galaxien vom Typ Sa besitzen eng anliegende Arme, die an einem massiven Kern (Bulge) hängen und sich oftmals mehrmals um das Zentrum winden. Über den Typ Sb hinweg zum Typ Sc nimmt die Größe des Galaxiezentrums ab, während die Spiralarme immer dominanter werden sowie sich immer weiter und mit immer weniger ausgeprägter Krümmung in den Raum erstrecken.
Eine weitere Form der Spiralgalaxien sind die Balkengalaxien. Oftmals gehen die oben erwähnten Spiralgalaxien über Zwischenformen in Balkengalaxien über. Auffällig sind die fast runden Kerne, an denen über den Typ SBa (kaum erkennbarer Balken) fast senkrecht (im Gegensatz zu den tangentialen Spiralen) zu den Typen SBb und SBc immer auffälligere Balken ansetzen, welche an den Enden dünner und schwächer und zum Zentrum hin kräftiger und heller werden. Deshalb verschwindet teilweise das runde Zentrum und der Balken wirkt wie ein einziger lang gezogener Kern. Die Folge von eng bis locker gewundenen Spiralarmen bleibt von den Untertypen a bis c bestehen. Spiralgalaxien erstrecken sich über 10²¹ bis um die 10²² Meter in einem Massespektrum von 10⁴¹ bis 10⁴² Kilogramm.
Unsere Milchstraße ist eine Mischform zwischen einer Spiralgalaxie (Sb) und einer Balkengalaxie (SBb) Die typische Bulge ist zwar noch zu erkennen, doch ist sie lang gestreckt und kann auch als Balken interpretiert werden. Von ihr gehen zwei Spiralen ab, der Orion-Arm und der Sagittarius-Arm, von denen sich in der Folge mehrere Nebenarme abspalten.
In einen dieser Arme in ca. 2,4 • 10²⁰ Meter Abstand vom Milchstraßenzentrum befindet sich zwischen den beiden Hauptspiralen in der Nähe des Orion-Armes unsere Sonne, welche mit ca. 2,3 • 10⁵ Meter pro Sekunde (ein Umlauf in etwa 210 Millionen Jahren) das Zentrum der Galaxie umkreist. Die Milchstraße hat einen Durchmesser von 10²¹ Meter. An der breitesten Stelle ist die Bulge kaum mehr als 10²⁰ Meter dick. Unsere Heimatgalaxie weist eine Masse von 2 • 10⁴¹ Kilogramm auf.
Linsenförmige Galaxien haben Eigenschaften die zwischen den Elliptischen Galaxien und den Spiralgalaxien liegen. Im Gegensatz zu Letzteren haben sie jedoch keine Spiralarme.
Galaxien mit völlig fehlender Rotationssymmetrie bezeichnet man als Irreguläre Galaxien. Sie sind oft von wolkenartiger Struktur und beinhalten viele junge Sterne. Beispiele sind die Große und die Kleine Magellansche Wolke als Begleiter unserer Milchstraße (Lokale Gruppe). Oftmals verwischen die Grenzen von Spiralgalaxien des Typs Sc mit den Irregulären Galaxien als kontinuierliche Übergangsgalaxien. Der Durchmesser von Irregulären Galaxien bewegt sich zwischen 10¹⁹ und 10²⁰ m bei Massen von 10³⁶ bis 10³⁹ Kilogramm. Heute geht man davon aus, dass im Zentrum vielleicht jeder Galaxie massive Schwarze Löcher mit einer Masse bis zu 10³⁹ Kilogramm bei einem Radius von 10¹² Metern sitzen. Messungen der Drehbewegungen an Spiralgalaxien 1933 von Fritz Zwicky und im breiteren Umfang 1970 von Vera Rubin ergaben, dass sich die Außenbereiche schneller drehen als nach dem Virialsatz der NGT erlaubt sein sollte. Zwickys Vermutung zusätzlicher Materie (ca. 10-mal mehr) wurde bestätigt und die Existenz Dunkler Materie (95%) gilt heute als allgemein anerkannt. Des Weiteren wurde die Dunkle Materie indirekt anhand so genannter Einsteinringe und –kreuze nachgewiesen, welche das Ergebnis der aus der ART folgenden gravitative Lichtkrümmung von hinter Galaxien befindlichen Objekten sind. Doch folgende Frage bleibt weiterhin im Raum stehen, da man Art bzw. die Funktion dieser Materie noch nicht entschlüsselt hat: Um was genau handelt es sich bei der Dunklen Materie? >>>zurück zur Auswahl<<<

3. Sonnensysteme

Da Planeten und andere relativ kleine massive Objekte im Gegensatz zu Fixsternen nur sehr wenig Strahlung emittieren bzw. spiegeln, ist es sehr problematisch genauere Erkenntnisse über unser eigenes Sonnensystem hinaus zu gewinnen. Anhand der Pendelbewegungen und Helligkeitsschwankungen von Sternen, hervorgerufen durch die Umlaufbahnen von Planeten, kann man jedoch extrapolieren, dass wie auch immer aufgebaute Sonnensysteme die Norm sind. Bis heute wurden schon sehr viele nachgewiesen. Doppel- und Mehrfachsternsysteme machen allerdings mehr als die Hälfte aller Sternensysteme aus. Die dazugehörigen Sterne erreichen eine Masse von bis zu zehn Sonnenmassen. Die Entfernungen um das gemeinsame Schwerkraftzentrum liegen zwischen 10⁶ und 10¹⁵ Metern. Unser Sonnensystem hat einen Fixstern, welcher statistisch gesehen mit 1,99 • 10³⁰ Kilogramm zu den schwereren gehört (Durchschnitt etwa 10²⁹ kg). Da die Sonne mit einem Radius von 6,96 • 10⁸ Metern (ς_mittl = 1,41 • 10³ kg m^-3) weit oberhalb des Schwarzschild-Radius und auch unterhalb der Chandrasekhar-Grenze (2,87 • 10³⁰ kg) liegt, bleibt eine Zukunft sowohl als Supernovae als auch als Schwarzes Loch ausgeschlossen. Deshalb wird unsere Sonne über das Zwischenstadium eines Roten Riesen letzendlich als Weißer Zwerg enden.
Ob die oben genannten massiven Schwarzen Löcher als Sternensystem deklariert werden sollen, tut hier nichts weiter zur Sache.
Unser Sonnensystem mit seinen Planetensystemen ist weitestgehend bis ins Detail erforscht. Dieser Teil erstreckt sich vom Merkur mit einer Entfernung von 5,79 • 10¹⁰ Metern vom Sonnenzentrum bis zum Neptun (4,5 • 10¹² m).
Es folgt der Kuiper-Gürtel, welcher etwa 70 Tausend größere Objekte beinhaltet (Zwergplaneten wie der Pluto, kurzperiodische Kometen, Eis- und Gesteinsbrocken) und sich bis in eine Entfernung von 4, 5 • 10¹² bis 5 • 10¹³ Metern erstrecken soll.
Die Bewegung der Himmelskörper um die Sonne und der Trabantensysteme um die Planeten folgen den Keplerschen und Newtonschen Gesetzen als Grenztheorie und im Falle der Perihelbewegung des Merkurs den exakteren Berechnungen der ART.
Kontinuierlich an den Kuiper-Gürtel schließt sich die kugelschalenförmige Oortsche Wolke an. In ihr befindet sich weitestgehend kleineres kosmisches mineralisches Material und Eis sowie langperiodische Kometen. Man schätzt, dass die Oortsche Wolke mit einem Radius von bis zu 1,5 • 10¹⁶ Meter unser Sonnensystem abschließt und bis zu 10¹² Objekte beinhaltet. In den 4,6 Milliarden Jahren der Entstehung unseres Sonnensystems soll die Oortsche Wolke unter anderem durch Kometenschauer zwischen 40% und 80% ihrer Masse verloren haben.
Nach vorsichtiger Schätzung könnte unser Sonnensystem über eine Gesamtmasse von ca. 3 • 10³⁰ Kilogramm bei einem Durchmesser (einschließlich Kuiper-Gürtel und Oortsche Wolke) von gut 10¹⁶ Metern verfügen. >>>zurück zur Auswahl<<<

4. Planetensysteme

Die am besten erforschten kosmischen Systeme und Gebilde im Universum neben unserem Heimatplaneten und seinem Mond sind die Planetensysteme unseres Sonnensystems. Der Erkenntnisgrad ist umgekehrt proportional der Entfernung zur Erdoberfläche. Wir ersparen uns hier die Mühe diese Erkenntnisse niederzulegen. Für unsere Zwecke reichen die Massen- und Größenverhältnisse, wie sie in der folgenden Abbildung zusammengetragen wurden. >>>zurück zur Auswahl<<<

5. Systeme auf der Erde

Meteorologische, geologische und sonstige übermolekulare chemisch-physikalischen Systeme und Formationen weisen ein Massen- und Größenspektrum auf, das je nach Betrachtungsweise bei Sandkorngröße (10^-8 kg / 1,7 • 10^-4 m Durchmesser) beginnen und hypothetisch mit der der Erde (5,97 • 10²⁴ kg / 1,27 • 10⁷ m Durchmesser) als Gesamtsystem aufhören könnte. Aussagekräftig ist hier nur das Verhältnis von Masse zur Volumeneinheit, also die Dichte. Während sie bei Sand ca. 2 • 10³ Kilogramm pro Kubikmeter beträgt, weist die Erde eine über zweieinhalbfach größere Dichte auf (ς_Erde = 5,52 • 10³ kg m^-3). Da dies logischerweise ein Durchschnittswert ist, bedeutet das, dass auf der Erde Materialien mit Dichten kleiner der von Sand und größer der der Erde existieren müssen. Die Dichtespektren (in kg m^-3) belaufen sich wie folgt: Gasförmige Stoffe von 8 • 10^-2 bis 10². Flüssige Stoffe von 7 • 10² bis 10⁴. Feste Stoffe von 4 • 10² bis 2 • 10⁴. Massen- und Größenabhängigkeiten derzeit auf der Erde existierender biologischer Systeme zeigt hier ebenfalls die obige Abbildung. Die mittlere Linie charakterisiert die Dichte des Wassers mit 10³ Kilogramm je Kubikmeter. >>>zurück zur Auswahl<<<

6. Makromoleküle

Die größten Makromoleküle (auf der Basis von Kohlenstoffatomen) haben biologische Systeme für ihre und während ihrer Evolution selbst entwickelt (Aminosäuren, CHO-Polymerisate und deren Derivate). Sie dienen sowohl zur Steuerung von Stoffwechselprozessen und zielgerichteten Vermehrung von Zellen ergo der Absicherung der originalen Kopie als auch zur Fortpflanzung ihrer Art.
Makromoleküle wurden darüber hinaus von uns Menschen, besonders für die Herstellung von Kunststoffprodukten und Fasern, selbst entwickelt.
Für die komplexesten Makromoleküle höher entwickelter biologischer Systeme steht die DNS. Die Doppelhelix, welche einer gewundenen Leiter ähnelt, besitzt ca. eine Milliarde Sprossen vier Stück kombinierter dualer Base-Paare. Das Molekül besteht aus ungefähr einhundert Milliarden Einzelatomen, eine Zahl, welche die Sterne einer Galaxie repräsentiert.
Mit diesem Vergleich wird verdeutlicht, dass wir uns spätestens jetzt aus dem Makrokosmos in den Mikrokosmos, in die Welt der Quantenmechanik, bewegt haben. Die Gravitation scheint hier aufgrund ihrer Schwäche gegenüber den agierenden anderen drei Kräften, keine Rolle mehr zu spielen. Eigenschaften und Charakteristika von Molekülen folgen deshalb den Gesetzmäßigkeiten der Chemie (Wirkungen der Elektromagnetischen Kraft), welche letztendlich zu den biologischen Effekten und Rückkopplungen bei besagten Molekülen auf Kohlenstoffbasis führen können.
Makromoleküle haben Größen von einigen Angström (10^-10 m) bis hin in den Mikrometerbereich (10^-6 m). Im Falle der DNS (im gestreckten Zustand) kann rein theoretisch eine Länge von mehreren Zentimeter erreicht werden.
Von den Menschen hergestellte Polymere bewegen sich im einhundertfachen Nanometerbereich (bis herunter zu 10^-6 m).
Als winzigste Abfolge biologisch aktiver Makromoleküle können wir, wenn man so will, die kleinsten Bakterien (bis zu 10^-7 m) auf der Erde betrachten, welche in Abbildung 5 außerhalb des Maßstabes fallen. >>>zurück zur Auswahl<<<

7. Moleküle

Moleküle, welche auf einem Skelett von Kohlenstoffatomen fußen, sind die Basis von zur Selbstorganisation neigenden Makromolekülen und damit unverzichtbare Ursubstanz für die Entwicklung von Leben. Alle anderen Moleküle tragen zu biologischen Systemen nicht oder nur sekundär bei. Deshalb teilt man die Chemie in Organische und Anorganische Chemie ein.
Das kleinste Molekül ist das Wasserstoffmolekül, bestehend aus zwei Atomkernen mit je einem Proton, welches durch wiederum je ein Elektron elektrisch neutralisiert wird und demnach ca. 10^-10 m groß ist.
Moleküle bzw. Kristalle setzen sich aus Atomen zusammen und sind immer das Ergebnis mehr oder weniger stabiler Gleichgewichtszustände. An Bindungen von bzw. Umgruppierungen zwischen den Atomen oder Teilen von Molekülen sind ausschließlich die äußeren (im angeregten Zustand bzw. im Ladungsdefizit befindlichen) Elektronen entgegengesetzten Spins unter Aufnahme oder Abgabe von Bindungsenergie (Photonen) beteiligt. Triebfeder der Molekülbildung ist daher immer die Elektromagnetische Kraft unter Gesichtspunkten thermodynamischer Entropieprinzipien im Zusammenspiel mit möglichst niedrigen und weitestgehend elektrisch neutralen Energieendzuständen.
Den Rahmen dieser mannigfaltigen Reaktionen (Theorien, welche beispielsweise auf Orbital- und Hybridisierungsmodellen beruhen) beschreibt die klassische Chemie. >>>zurück zur Auswahl<<<

8. Atome

Atome bestehen aus den Atomkernen, die wiederum aus Protonen und Neutronen bestehen, sowie aus der protonenäquivalenten Anzahl Elektronen.
Die Masse von Protonen bzw. Neutronen und damit die Atommasse beträgt rund 1,7 • 10^-27 Kilogramm. Im Atomverbund beanspruchen die Elektronen (in Abweichung von der de-Broglie- oder der Compton-Wellenlänge bzw. wegen der Komplexität der Berechenbarkeit über Wellengleichungen aus Abstandsprinzipien im Atomverbund hergeleitet) Radien von ca. 3,7 • 10^-11 bis 2,7 • 10^-10 Meter. Da die Atomkerne um ungefähr 10⁴ Größenordnungen bezüglich ihrer Durchmesser kleiner als vollständige Atome, und Elektronen mehr als tausendmal leichter als Protonen und Neutronen sind, bestehen Atome aus sehr viel Vakuum, so dass die resultierenden Dichten im durchaus gewohnten Spektrum liegen (10¹ bis 10⁴ kg m^-3). >>>zurück zur Auswahl<<<

9. Atomkerne

Atomkerne setzen sich aus Protonen und Neutronen zusammen, die von gluonischen Restwechselwirkungen entgegen ihrer elektrischen Abstoßung zusammengehalten werden.
Protonen bestehen aus zwei up- und einem down-Quark, Neutronen aus zwei down- und einem up-Quark. Die Drittelladungen der Quarks addieren sich im Endeffekt zu einer positiven bzw. neutralen Ladung. Die Quarks werden durch Gluonen an einer Ladungsabstoßung gehindert (Starke Kernkraft). Dem Effekt des Kernzusammenhalts steht der der Kernspaltung gegenüber. Dafür verantwortlich sind W^+/-– und Z-Bosonen (Schwache Kernkraft). Die stabilsten Kerne sind Eisenkerne. Bei entsprechender energetischer Anregung (Atombombe, Gravitation) verlaufen Fusionsprozesse von leichteren Kernen beginnend (Wasserstoffbombe, Kernfusion in den Sternen) über Helium bis über den Eisenkern hinaus (z. B. Uran, Plutonium), um dann als Spaltprozesse (Anregung z.B. durch TNT für eine Kettenreaktion) von schwereren Kernen (Atombombe, β-Zerfall, Radioaktivität in und auf Planeten) letzten Endes bis maximal zum Eisenkern zurückzulaufen. Die Energieausbeute über den so genannten Massedefekt bei diesen Kernreaktionen entspricht Einsteins berühmter Formel E = m • c². Aufschluss über die gesamte Kompliziertheit derartiger Prozesse gibt die Kernphysik, der unmittelbare Vorläufer und stetige Begleiter der Quantenmechanik. Der Kernradius eines Protons von 1,3 • 10^-15 m entspricht genau der dazugehörigen Compton-Wellenlänge (λ = 2 π ħ / m c) seiner Masse (1,7 • 10^-27 kg). Bei schwereren Kernen wächst der Kernradius ungefähr mit der dritten Potenz seiner Massezahl. Die Kerndichte beträgt 1,8 • 10¹⁷ Kilogramm pro Kubikmeter. >>>zurück zur Auswahl<<<

10. Elementarteilchen

Streuversuche mit Elektronen hatten gezeigt, dass Protonen und Neutronen neben den Elektronen nicht die elementarsten Bestandteile unseres Universums sein konnten. Die Streuung hätte ein Ergebnis von kompakten kugelförmigen Aussehen sein müssen und nicht von diffusen Abbildungen wie im Experiment. Bei näherer geometrischer Auswertung des diffusen Muster der entgegen den Erwartungen viel zu weit abgelenkten Elektronen offenbarten sich sowohl Proton als Neutron (Nukleonen) als Teil eines Dreierkomplexes oben erwähnter Quarks.
In Auswertung von Teilchenbeschleunigerversuchen konnten die postulierten up- und down-Quarks schließlich indirekt nachgewiesen und analysiert werden. Neben dem bekannten Elektron waren zwei weitere elementare Bestandteile des Mikrokosmos entdeckt worden.
Die Summe der Massen (Energien) der Quarks liegen zwei Zehnerpotenzen unter denen der Protonen bzw. Neutronen. Die Differenz liegt nach Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz als Bewegungsenergie (kinetische Energie von Quarks und Gluonen) in den Kernen vor.
Mit immer energiereicheren Beschleunigerexperimenten konnte man in der Folge weitere neun Elementarteilchen (Fermionen) mit halbzahligen Spin sowie das W- und das Z-Boson (Botenteilchen der Schwachen Kraft) mit Spin 1 sowie konkreten Massen nachweisen.
Zur konsistenten Abrundung der Quantenphysik hofft man bei Teilchenbeschleunigerversuchen im LHC bei Genf die für das Standardmodell überlebenswichtigen, hypothetisch postulierten, Higgs-Teilchen zu finden, welche durch ihre Anwesenheit (gleichnamige) quantenmechanische Felder induzieren sollen, um so sowohl eine Erklärung für die trägen Massen der Elementarteilchen als auch für die Dunkle Energie (Vakuumenergie) zu liefern.

Die zwölf zurzeit eindeutig experimentell nachgewiesenen Fermionen werden in zwei Familien (Teilchenarten), zwei Unterfamilien (Ladungen) und drei Gruppen (Energien) unterteilt:

a) Hadronen (unterliegen der Starken Kraft) – „schwerere“ Fermionen in „links- (L) und rechtshändigem (R) Zustand“:
Ladung +⅔: up-Quark_L/R (3,2 MeV) charme-Quark_L/R (1,2 GeV) top-Quark_L/R (174 GeV)
Ladung –⅓: down-Quark_L/R (6,9 MeV) strange-Quark_L/R (0,1 GeV) bottom-Quark_L/R (4,3 GeV)

b) Leptonen (unterliegen nicht der Starken Kraft) – „leichtere“ Fermionen mit folgenden Spindrehmöglichkeiten:
Ladung –1: Elektron_L/R (0,5 MeV) Myon_L/R (0,1 GeV) Tauon_L/R (1,8 GeV)
Ladung ±0: Elektron-Neutrino_L (fast 0) Myon-Neutrino_L (?) Tauon-Neutrino_L (?)

Laut den Theorien der Quantenmechanik werden mit zunehmenden Massen bzw. Energien die Skalen der Aktionsradien bzw. Wellenlängen der Fermionen und Bosonen immer kleiner (als Maß kann hier die Compton-Wellenlänge dienen). Das heißt, dass theoretisch nur masselose Bosonen wie Photonen und Gravitonen einen unendlich weiten Aktionsradius besitzen.
Neben den bekannten Photonen konnten die zwei schwachen W- und Z-Eichbosonen (agieren nur mit linkshändigen Fermionen) direkt nachgewiesen werden. Alle anderen Bosonen ergänzen das Standardmodell mehr (Gluonen) oder weniger (Graviton, Higgs-Teilchen) hypothetisch:

c) Bosonen
Spin 1: Higgs-Teilchen ? (126 GeV ?)
Z-Boson (91 GeV)
W^±-Boson (80 GeV)
Gluon (einige MeV ?, 8 Stück)
Photon (94 keV bis 10^-10 eV; masselos)
Spin 2: Graviton ? ( ? eV; masselos)

Zerfallsreaktionen, Umwandlungen, spontane Bildungen von Teilchen-Antiteilchen-Paaren von Elementarteilchen sowie die Vermittlung und der Austausch der elektromagnetischen Wechselwirkungen und viele andere Aspekte im Rahmen des Standardmodells können mit Hilfe der Quantenmechanik mathematisch äußerst exakt berechnet werden.
Besondere Schwierigkeiten bereiten die Unmöglichkeit der Einbeziehung der Gravitation, die Klärung des so genannten Hierarchieproblems, die Frage nach dem Zweck der schweren Mitglieder der vier Unterfamilien ergo der Massenspektren der Elementarteilchen sowie nach der genauen Vermittlung der trägen Masse. Außerdem ist trotz der Theorie der Elektroschwachen Wechselwirkung der genaue Kräftevermittlungsmechanismus durch schwache Eichbosonen (Supersymmetrische Theorien) im Rahmen der spontanen Symmetriebrechung nach wie vor ungeklärt und auch die genaue Wirkungsweise der Übertragung der Starken Kraft ist noch nicht abschließend beurteilt.
Gerade die Frage nach der Einbeziehung der Gravitation (natürlich auch deren mikroskopische Wirkmechanismen der Kräfteübertragung) im Zusammenhang mit den GUT-Theorien der Vereinheitlichung der Starken, Elektromagnetischen und Schwachen Kraft lässt darauf abheben, dass bei genügend (sehr) hohen Energien auf der Planck-Skala auch die Gravitationskraft als eine „Seite der gleichen Medaille“, als vereinte Universalkraft in die Quantenphysik Eingang finden könnte.
Die Hoffnung auf Aufklärung, gerade was noch offene Details der Vermittlung der drei starken Kräfte betrifft, durch Beschleunigerexperimente im LHC ist wohl begründet, da hier bis in einen Energiebereich von 10³ GeV untersucht werden kann. Was die Frage nach der Schwäche und Rolle der Gravitationskraft anbelangt, müssen wir uns allerdings wegen der Größe der Planck-Skala auf mathematisch nachvollziehbare Theorien verlassen. Diese Theorien sollten es uns letztendlich ermöglichen, die vermeintliche Unverträglichkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu überwinden.
Und da nach den einhelligen Voraussagen der Quantenmechanik Energien im Planck-Bereich (10⁵ bis 10¹⁹ GeV) Aktionsräume auch nur im Planck-Bereich (10^-20 bis 10^-35 m) zulassen, sind wir bei genau den Bedingungen angelangt, welche im frühen Universum geherrscht haben müssen.
Wie ist die Materie aus einen quasi vakuumgefüllten Nichts heraus entstanden? Was spielte sich in den unvorstellbar kleinen Räumen unter so unvorstellbar hohen Energien ab? Wie kam das frühe Universum in einen niederentropischen Zustand?
Was spielte die Dunkle Materie dabei für eine Rolle? Können wir also die angesprochene Problematik der Gravitation theoretisch lösen, und sind wir in der Lage mittels Teilchenbeschleunigerexperimente oben genannte Fragen in Energiebereichen um die Tausend Gigaelektronenvolt zu beantworten, haben wir die Werkzeuge in der Hand zu klären, was genau in unserem Universum seit dem so genannten Urknall bis zu den ersten Kernfusionsreaktionen vorgegangen ist?

Abbildung 7: Energien und Compton-Wellenlängen von Elementarteilchen im logarithmisierten Größe-Masse-Diagramm

Wenn wir nun einen gedanklichen Blick zurück auf die Startseite dieser Homepage werfen, wird klar, dass sich jetzt der Kreis geschlossen hat. Die Quantenphysik hat uns direkt wieder zur Kosmologie geführt. Wie beschrieben ging die Kosmologie ihrerseits Hand in Hand mit der Quanten- und der Kernphysik ansatzlos über die Bewegungsgesetze Keplers, die Gravitationsgesetze Newtons und Einsteins, die uns die Bildung von Galaxien-, Sternen- und Planetensystemen erklären, zur klassischen Physik über. Im Zusammenspiel geologischer und meteorologischer Systeme als Ausdruck physikalischer und chemischer Gesetzmäßigkeiten entwickelten sich bestimmte Formationen auf der Erde immer weiter zu immer komplexeren Lebensformen bis hin zum Menschen. Letzteres behandelt die Biologie ganz genau.

Philosophie, Psychologie und Hirnforschung sind immer besser in der Lage uns eine Vorstellung davon zu geben, wie es möglich ist, dass der Mensch über ein Gehirn verfügt, welches uns selbstbewusst die Frage stellen lässt: „Woher komme ich eigentlich?“ Die Evolution ist an dem Punkt angelangt, an welchem sie sich sozusagen selbst zu erforschen und zu lenken gedenkt. Wir können uns also vor einen Computer setzten, eine Homepage erstellen und ein Licht auf das Universum zurückwerfen, dessen Scheinen uns erst hervorgebracht hat! In einem bescheidenen Rahmen können wir sogar den Lauf der Dinge selbst beeinflussen.
Über die Biologie kommen wir alsdann unweigerlich zur Chemie und damit wieder in die komplizierten Gefilde der Kern- und Quantenphysik zurück. Fragend schauen wir uns um, da wir nicht nur an praktische Grenzen stoßen.
Doch wir sind unersättlich. Auch diese Grenzen wollen wir niederreißen. Denn dahinter löst sich der Nebelschleier, welcher den vollständigen Blick auf die Entwicklung unseres Universums verdeckt.
Doch wie gesagt: Der Kreis hat sich immerhin schon geschlossen. Viele Fragen sind bereits beantwortet. Viele harren noch ihrer Lösung. Und ich würde mich freuen, dazu einige Denkanstöße geben zu können. Also, in diesem Sinne: Theorie anklicken!

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