Physik – unbelebte Natur hinterfragt

Physik – unbelebte Natur hinterfragt Niemand würde heute mehr bezweifeln, dass die Erde eine (annähernd) kugelförmige Gestalt besitzt, dass sie sich um die Sonne dreht und von dort mit unvorstellbaren Mengen an Licht und anderen Energieformen versorgt wird. Doch warum ist die Erde rund? Was hält sie auf ihrer Bahn? Was lässt die Sonne leuchten? Solche »Warum«-Fragen haben zu allen Zeiten Menschen dazu getrieben, sich mit physikalischen Problemen zu beschäftigen und immer ausgefeiltere Theorien als Erklärung zu entwickeln. Die Reihe reicht von den griechischen Philosophen über die Naturforscher im Barock bis zu den Nobelpreisträgern unserer Zeit, aber auch den Teilnehmern am Wettbewerb »Jugend forscht«, kleinen Kindern und schlichtweg allen Menschen, die mit Neugier ihre Umwelt betrachten: Sie alle sind Meister in der Frage nach dem »Warum«. Im Wahrig-Wörterbuch ist Physik die »Wissenschaft von den Gesetzmäßigkeiten der unbelebten Natur«. Bei den alten Griechen bedeutete physis »Natur, Naturkraft, Naturgeschehen«. Und tatsächlich ist auch heute noch die Erforschung der fundamentalen Naturkräfte wie Schwerkraft, Elektromagnetismus oder Kernkraft ein zentrales Anliegen der Physik, auch wenn man lieber von »Wechselwirkungen zwischen Objekten« spricht. Doch damals wie heute gibt es auch die praktische Seite: Von der Voraussage von Sonnenfinsternissen oder dem Bau von Mühlen und Pumpen über Dampfmaschine und Stromversorgung bis zu Computer und Sonnenkollektoren – stets haben physikalische Erkenntnisse sich auch unmittelbar auf den Alltag der Menschen ausgewirkt. Doch Physik ist mehr. Physikalische Vorstellungen und Denkmodelle waren und sind für die Geistesgeschichte nicht weniger einflussreich als Luthers Bibelübersetzung, Goethes Gedichte oder Kants kategorischer Imperativ. Insbesondere Kopernikus' Weltbild mit der Sonne im Mittelpunkt, Einsteins Relativitätstheorie oder die immer noch Rätsel aufgebende Quantentheorie haben Denken und Sprache der Menschen verändert. Selbst in der Umgangssprache finden sich Sätze wie »Alles ist relativ« oder das Modewort vom »Quantensprung«. Geniale Wissenschaftler: Die Stars der Physik Wer ist der berühmteste Nachfolger Isaac Newtons? Stephen Hawking, heutiger Inhaber von Newtons früherem Lehrstuhl. Hawking wurde am 8. Januar 1942 geboren, auf den Tag genau 300 Jahre nach dem Tod Galileo Galileis. Er studierte bereits mit 17 Jahren Physik und Chemie in Oxford und ging nach seiner Promotion an die Universität Cambridge, wo er seit 1973 Theoretische Physik lehrt. Sein Spezialgebiet ist die Kosmologie, die Wissenschaft, die Entwicklung und Strukturen des Weltalls beschreibt. Er verbesserte die Theorie der Entstehung des Weltalls (»Urknall«) und fand heraus, dass extrem verdichtete Materie, die beim Urknall sowie in Schwarzen Löchern auftritt, völlig unerwartete Eigenschaften hat. Bekannt wurde Hawking durch seine populärwissenschaftlichen Werke (»Eine kurze Geschichte der Zeit«, 1988, und »Das Universum in der Nussschale«, 2001), aber auch, weil er trotz einer unheilbaren Krankheit forscht, Vorlesungen hält und in der Öffentlichkeit auftritt. Er leidet an amyotropher Lateralsklerose (ALS), welche die Bewegungsnerven angreift und mit der Zeit zur völligen Lähmung mit Herz- und Atemstillstand führt. Mit Ausnahme der Augen hat er schon jede Bewegungsmöglichkeiten verloren. Er kommuniziert über einen speziellen Computer, der seine Augenbewegung erfasst. Hawkings 2005 erschienenes Buch »Giganten des Wissens« handelt von fünf großen Physikern, die unser westliches Weltbild am meisten geprägt haben: Kopernikus, Galilei, Kepler, Newton und Einstein. Wer war der erste Superstar der Physik? Albert Einstein (1879–1955), der als der bedeutendste Physiker des 20. Jahrhunderts gilt. Nachdem seine Allgemeine Relativitätstheorie (veröffentlicht 1916, die Spezielle Relativitätstheorie veröffentlichte er schon 1905) bei der totalen Sonnenfinsternis von 1919 glänzend bestätigt worden war, überschlug sich die Presse fast mit ihrer Berichterstattung über die unverständliche Theorie und ihren merkwürdigen Urheber – dem das durchaus gefiel. Als Einstein dann 1921 den Nobelpreis erhielt, übrigens nicht für seine Relativitätstheorie, sondern für seine ebenfalls 1905 erschienene Deutung des Lichtelektrischen Effekts, hatte er in der Öffentlichkeit endgültig das Image des genialen, aber unverständlichen Professors. Als entschiedener Gegner der Faschisten kehrte Einstein 1933 nicht mehr von einer USA-Reise in das nationalsozialistische Deutschland zurück. Er wurde Professor in Princeton (USA), wo er an einer allgemeinen Feldtheorie aller bekannten Kräfte arbeitete. Der Pazifist Einstein setzte sich für das friedliche Miteinander der Menschen ein. Dennoch wies er zusammen mit anderen Physikern den US-Präsidenten 1939 auf die Möglichkeit einer Atombombe hin – was mit zu ihrer Entwicklung führte. An der Realisierung war er jedoch nicht beteiligt. Wer gab dem Weltall seine heutige Größe? Der US-amerikanische Astronom Edwin Powell Hubble (1889–1953). Er untersuchte 1923 am damals weltgrößten Observatorium, dem Mt. Wilson Observatory in Kalifornien, den Andromeda-Nebel und fand dort einen sog. Cepheidenstern (Kennzeichen: im festen Rhythmus schwankende Helligkeit). Daraus berechnete er die Entfernung des Andromeda-Nebels. Mit weit über eine Million Lichtjahren war sie erheblich größer, als nach damaliger Lehrmeinung der Durchmesser des ganzen Universums sein sollte. Hubbles folgenreichste Entdeckung aber ist die, dass die Wellenlänge von Licht ins Rote verschoben wird, wenn sich der das Licht aussendende Himmelskörper mit hoher Geschwindigkeit von uns entfernt. Aus dem Ausmaß dieser »Rotverschiebung« lässt sich die Geschwindigkeit direkt errechnen. Die eigentliche Sensation ergab sich aber erst, als Hubble Entfernung und Geschwindigkeit vieler Spiralnebel ermittelt hatte: Je weiter sie von uns entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich von uns fort. Er folgerte, dass sich das Weltall als Ganzes ausdehnt und dass es vor vielen Milliarden Jahren in einem unendlich dichten und heißen Urzustand seinen Anfang genommen haben muss. Das war der erste beobachtbare Hinweis auf den »Urknall«. Wer entdeckte, dass die Natur Sprünge macht? Der deutsche Physiker Max Planck (1858–1947), der 1900 bei Untersuchungen zur Strahlung submikroskopischer Körper die Quantelung der Energie entdeckte. Energie wird von solchen Körpern (zu denen die Atome zählen) nicht kontinuierlich, sondern in winzigen Portionen, den Quanten, abgegeben. Dies bildete die Grundlage für die neben der Relativitätstheorie zweite große physikalische Theorie des 20. Jahrhunderts, die Quantenmechanik. – Stetige Würdigung erfährt Planck als Namensgeber der Max-Planck-Gesellschaft. Wussten Sie, dass … Einstein gar nicht so unpraktisch und abgehoben war, wie er oft dargestellt wird? Er hat 1930 sogar einen neuartigen Kühlschrank erfunden. Einstein zwar die Lichtquantenhypothese aufgestellt hat, die Folgerungen, dass es in der Quantenmechanik nur statistische Aussagen gibt, aber nicht mittragen wollte? In diesem Zusammenhang fiel der berühmte Satz »Der Alte (bzw. Gott) würfelt nicht.« Einstein mit seiner Theorie von der induzierten Lichtemission auch die Grundlage für den Laser schuf? man Stephen Hawking auch als »Popstar der Physik« bezeichnen könnte? Auf dem Pink-Floyd-Album »The Division Bell« (1994) spricht er mithilfe seines Sprachcomputers die einleitenden Worte zu dem Stück »Keep Talking«. das Hubble-Weltraumteleskop nach Edwin Hubble benannt ist? Da es von der Erdatmosphäre ungestört ist, kann es feinste Details auch sehr entfernter Planeten und Sternsysteme aufnehmen. das Hubble-Weltraumteleskop anfangs einen »Sehfehler« hatte? Durch einen Fabrikationsfehler war der Rand des 2,4 m großen Spiegels um 2,5 μm verbogen. Ende 1993 reisten zwei Astronauten im Spaceshuttle ins All und korrigierten den Fehler. Kräfte und Energien: Grundbegriffe der Physik Was ist Kraft? Eine Kraft erkennt man nur an ihrer Wirkung. In unserem Alltag erfahren wir Kräfte, indem sie die Geschwindigkeit oder die Bewegungsrichtung von Gegenständen verändern. Man spricht von der Kraft eines Automotors, der Schwerkraft, von Reibungskräften und von der Superwaschkraft. Alle diese Kräfte bewirken etwas: schnellere Fahrt, den Fall von Obst oder eine Trennung von Schmutz und Stoff. Die Beschleunigung eines Körpers ist umso stärker, je stärker die angreifende Kraft ist. Andererseits bewirkt die gleiche Kraft bei einem schweren Körper eine schwächere Beschleunigung als bei einem leichten. Dass ein Körper beim Einwirken einer Kraft nicht zerstört wird, verhindern andere Kräfte, etwa diejenigen die zwischen Atomen herrschen. Gemessen werden Kräfte u. a. durch die Wirkung, die sie auf Federn ausüben. Diese werden gedehnt oder gestaucht, je nachdem, wie die Kraft auf die Feder wirkt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den inneren Kräften in der Feder und der äußeren Kraft einstellt. Auch die Waage beruht auf diesem Prinzip. Die moderne Physik führt solche alltäglichen Kräfte auf die Wirkung von Kräften im Inneren von Molekülen und Atomen und zwischen Elementarteilchen zurück: Wenn zwei solche Teilchen aufeinander eine Kraft ausüben, dann tauschen sie untereinander spezielle sog. Wechselwirkungsteilchen aus (dass die sich in der Regel mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, sei nur erwähnt). Eine abstoßende Kraft zum Beispiel kann man sich wie die Kraft vorstellen, die zwei Menschen spüren, die sich eine schwere Kugel zuwerfen: Sowohl beim Abwerfen als auch beim Fangen erfahren die beiden Menschen je eine Kraft, die sie auseinander treibt. Wie viele Kräfte gibt es? Zurzeit kennt die Physik vier verschiedene Grundkräfte: die Gravitation, die Elektromagnetische Kraft, die Schwache und die Starke (Kern-)Kraft. Die Gravitation (Schwerkraft), die schwächste aller Kräfte, wirkt zwischen Massen. Sie wirkt als einzige Kraft stets anziehend – es gibt keine »Antigravitation« (höchstens in der Science Fiction). Daher ist sie bei großen Entfernungen, z. B. im Weltall, das dominierende Phänomen. Das für die Gravitation notwendige Wechselwirkungsteilchen, das Graviton, konnte allerdings noch nicht gefunden werden. Der Grund: Die Entfernungen, über die wir Menschen bislang Messungen vornehmen können und auch die Massen, die wir dabei aufeinander wirken lassen, sind sehr klein, zu klein, als dass heutige Geräte die minimale Wirkung von Gravitonen feststellen könnten. Die Elektromagnetische Kraft wirkt zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Verglichen mit der Gravitation ist sie sehr stark. Allerdings existieren sowohl abstoßende Kräfte (zwischen gleichnamigen Ladungen) als auch anziehende Kräfte (bei ungleichnamigen Ladungen). Sie bewirkt den Zusammenhalt – oder das Trennen – von Molekülen und somit alle Reaktionen der Chemie. Die beiden weiteren Kräfte unterteilen sich in Schwache und Starke (Kern-)Kraft. Sie treten nur bei äußerst kleinen Abständen auf und liegen unter anderem radioaktiven Zerfallsprozessen zugrunde. Wichtig sind sie in der Theorie der Elementarteilchen. Kann man Energie vernichten? Nein, denn das Besondere an Energie ist, dass sie zwar in vielen verschiedenen Formen auftritt – z. B. als Rotationsenergie, Bewegungsenergie, Reibungsenergie, Wärmeenergie usw. –, dass diese sich aber nur ineinander umwandeln lassen, sie können nicht verloren gehen. Diese Erkenntnis, die sog. Energieerhaltung, ist eines der wichtigsten Naturgesetze. In jedem Körper stecken enorme Energiemengen: Wenn sich beispielsweise ein Kohlenstoffkügelchen mit einer Masse von einem Gramm einmal pro Sekunde um sich selbst dreht, hat es eine Rotationsenergie von 2 J (Joule) oder 0,002 kJ (Kilojoule). Wird dieses Gramm Kohlenstoff bei Zimmertemperatur und normalem Luftdruck um zehn Grad erwärmt, so wird ihm eine Wärmeenergie von etwa 0,007 kJ zugeführt. Bringt man das Gramm Kohle in den dritten Stock eines Gebäudes, das heißt auf zehn Meter Höhe, so gewinnt es eine Gravitationsenergie von etwa 100 J oder 0,1 kJ. Wenn das Kohlestück von dort auf den Erdboden fällt, wird diese Energie während des Fluges in Bewegungsenergie umgewandelt. Am Boden geht sie durch den Aufprall in Deformations- (Verformungs-) und Wärmeenergie über. Wenn man das eine Gramm Kohle dagegen verbrennt, so wird eine (chemische) Energie von 36 kJ frei, also ein Vielfaches der im letzten Absatz angesprochenen Schwereenergie. Und wäre es möglich, die gesamte Masse des Kohlekörnchens nach Einsteins berühmter Formel E = mc ² in Strahlungs- oder Wärmeenergie umzuwandeln, so ergäbe sich die unvorstellbar große Energiemenge von 9 • 10 10 kJ. Damit könnte der Bedarf an elektrischer Energie einer Millionenstadt wie Berlin etwa 23 000 Jahre lang gedeckt werden! Wussten Sie, dass … zwei gleich große Kräfte nicht im Gleichgewicht stehen müssen? Wenn sie teilweise in dieselbe Richtung wirken, erzeugen sie eine Verschiebung, wenn sie an zwei verschiedenen Punkten angreifen, rufen sie eine Drehung hervor. man nur als Mitfahrer die Fliehkraft beispielsweise eines Karussells wahrnehmen kann, dass ein außen stehender Zuschauer sie aber nicht spürt? die Gewichtskraft eines Gegenstands vom Ort abhängt? Man kann diese (auf der Erde allerdings nur winzigen) Unterschiede nutzen, um Lagerstätten von Bodenschätzen zu finden. Hieß Energie schon immer Energie? Nein. Der Begriff wurde im 18. Jahrhundert aus dem Französischen entlehnt, und er bedeutet dort wie hier ursprünglich so viel wie »wirkende Kraft« und kann auf das griechische »ergos« (Arbeit) zurückgeführt werden. Damit wollte man die Energie begrifflich von der Kraft unterscheiden. Was genau unter Energie und Kraft zu verstehen ist, klärte sich erst im Lauf des 19. Jahrhunderts. Das Werk von Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821 – 1894) über die Energieerhaltung aus dem Jahre 1847 trug zum Beispiel noch den Titel »Über die Erhaltung der Kraft«. Relativitätstheorie: Ganz schön abstrakt Ist alles relativ? Im Prinzip ja, doch es gibt eine Ausnahme: die Lichtgeschwindigkeit. Anders als in der klassischen Newton' schen Vorstellung sind nach Albert Einsteins Relativitätstheorie Zeit, Raum und Masse veränderlich, also »relativ«. Sogar die Frage, ob zwei Ereignisse gleichzeitig ablaufen oder nicht, ist nach Einstein vom Bewegungszustand des Beobachters abhängig. Die Lichtgeschwindigkeit hingegen, die für Newton davon abhängig war, ob man sich auf eine Lichtwelle zubewegt, sich von ihr entfernt oder mit ihr »Schritt hält«, ist nach Einstein absolut unveränderlich. Und dies ist nicht nur eine theoretische Vorstellung, sondern wurde schon vor über hundert Jahren durch Präzisionsmessungen bestätigt: Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Richtungen gleich groß und unabhängig vom Bewegungszustand eines Beobachters. Was ist Bewegung? Ebenfalls eine relative Größe. Manchmal sitzen wir in einem Zug, der in einem Bahnhof steht und blicken auf einen direkt benachbarten Waggon. Bewegt sich einer der beiden Züge nur langsam, dann können wir zunächst nicht entscheiden, welcher Zug fährt: der, in dem wir sitzen, oder derjenige, den wir betrachten. Erst wenn eine Beschleunigung spürbar wird, wissen wir, dass unser Zug angefahren ist. Fehlt diese Beschleunigung, muss es der andere Zug sein. Unsere Beobachtung ist somit nicht absolut, sondern sie bezieht sich auf etwas, nämlich auf den Bewegungszustand unseres Wagens. Ein System, auf das man seine Beobachtungen beziehen kann, wird Bezugssystem genannt. Ein am Bahndamm stehender Beobachter würde, bezogen auf seine Umgebung, etwas anderes beobachten. Er befindet sich in einem anderen Bezugssystem als wir. Von ganz besonderer Bedeutung sind Bezugssysteme, die sich gleichförmig bewegen, die also nicht beschleunigt werden. Man spricht auch von Inertialsystemen. Auf den ersten Blick trivial, aber nicht selbstverständlich: Ein Abstand von einem Meter wird immer als ein Meter gemessen, egal, in welchem Inertialsystem man sich aufhält. Ebenso ist in einem solchen System eine Zeit von einer Sekunde überall genau eine Sekunde. Ist schnell plus schnell gleich doppelt schnell? Das gilt genau genommen nur in Inertialsystemen und hier auch nur, wenn die betrachteten Geschwindigkeiten klein im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit sind. Eine in einem mit konstanter Geschwindigkeit x dahingleitenden Zug in Fahrtrichtung abgefeuerte Kugel besitzt bezüglich des Zuges zum Beispiel die Geschwindigkeit y . Ein Beobachter am Bahnsteig dagegen würde für die Kugel die Geschwindigkeit x + y messen (wenn er über das geeignete Messgerät verfügte). Zug und Bahnsteig sind beides Inertialsysteme: In ihnen sind daher die Maßstäbe für Länge (Raum) und Zeit identisch, und nur deswegen kann die Geschwindigkeit in dem einen System einfach zur Geschwindigkeit im anderen System addiert werden. Kann man das Licht einholen? Nein, und zwar weil die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Im Vakuum beträgt sie 299 792 km/s. Albert Einstein erkannte das revolutionäre Potenzial dieses Resultats: Wenn ich bei Licht, dem ich »entgegenfliege«, genau die gleiche Geschwindigkeit messe wie bei Licht, dem ich »hinterhereile«, dann können die bisherigen Vorstellungen von Zeit, Raum und Geschwindigkeit nicht stimmen. Einstein zog die radikale Konsequenz, dass diese Größen nicht absolut definiert werden können. Stattdessen hängen die Dauer eines Vorgangs, die Größe eines Körpers und die Frage, ob Prozesse gleichzeitig ablaufen oder nicht, vom Bewegungszustand des Beobachters (oder abstrakt: vom Bewegungszustand des Bezugssystems) ab. Ein absolutes Bezugssystem (wie etwa den »Äther«) gibt es nicht. Das ist die Relativität, die Einstein meinte. Laufen Uhren langsamer, wenn sie sich bewegen? Ja. Dies ist eine der Konsequenzen des Relativitätsprinzips. Fliegt ein Raumschiff an einem Beobachter auf der Erde mit einer Geschwindigkeit knapp unter Lichtgeschwindigkeit vorbei, so scheint von ihm aus gesehen die Zeit auf dem Raumschiff langsamer zu vergehen (Zeitdilatation). Gleichzeitig erscheint dessen Länge dem Beobachter in Flugrichtung gestaucht (Längenkontraktion)! Das mag für unsere Ohren seltsam klingen, aber es ist eine der inzwischen vielfach überprüften Aussagen der Speziellen Relativitätstheorie. Äußerst erstaunlich ist auch, dass die Masse (!) und nicht etwa die Geschwindigkeit eines knapp unterlichtschnell fliegenden Objekts zunimmt, wenn man versucht, es zu beschleunigen. Solche Objekte sind Elementarteilchen in einem Beschleuniger (z. B. Elektronen); bei ihnen wurde die Massenzunahme tatsächlich gemessen. Zusammengefasst: Messungen zu Raum und Zeit sind abhängig davon, ob sich das Bezugssystem, von dem aus gemessen wird, bewegt oder nicht. Ist Masse gleich Masse? Ja und nein. Mit dem Begriff »Masse« werden eigentlich zwei ganz verschiedene Dinge bezeichnet: einerseits die »schwere Masse«, die die Ursache der Schwerkraft (auch Massenanziehung oder Gravitation genannt) ist, andererseits die »träge Masse«, die jeder Beschleunigung einen Widerstand entgegensetzt. Einsteins Spezielle Relativitätstheorie erklärt die Natur von Zeit und Raum bei gleichmäßiger, unbeschleunigter Bewegung auf verblüffende Weise. Was passiert aber bei einer beschleunigten Bewegung, etwa beim freien Fall aufgrund der Massenanziehung zwischen Erde und fallendem Körper? Hier kompensieren sich Massenanziehung und Trägheit mit der Konsequenz, dass der Körper fällt (würde die Trägheit nicht kompensiert, bliebe der Körper in der Luft stehen). Einstein nahm diese scheinbar triviale Erkenntnis zur Grundlage seiner Allgemeinen Relativitätstheorie: »Schwere und träge Masse« sind dasselbe. Daraus leitete er abstrakt ab, dass sich lokal nicht mehr entscheiden lässt, ob man von einer äußeren Kraft beschleunigt wird oder sich ruhend in einem Gravitationsfeld aufhält. Noch einschneidender ist sein Schluss, dass jede Masse den umgebenden Raum auf komplizierte Weise verzerrt, gleichzeitig vergeht die Zeit in der Umgebung einer großen Masse langsamer als bei einer kleinen Masse. So fantastisch die Verbiegung des Raums klingt: Schon kurz nach Bekanntwerden dieser Theorie wurde sie zweifelsfrei bewiesen. Zwei Astronomen beobachteten bei einer Sonnenfinsternis einen Stern, der sich in Wirklichkeit hinter der Sonne befand. Der Grund dafür liegt einfach darin, dass die Masse der Sonne den Raum derart krümmte, dass das Licht des Sterns um die Sonnenkugel herumgelenkt wurde. Heute dient dieser Effekt sogar zum Nachweis von Planeten um andere Sterne. Es geht aber noch kurioser. Diese Raumverzerrungen müssen nicht stationär bleiben, sondern können sich unter besonderen Umständen in alle Richtungen ausbreiten. Sie heißen dann Gravitationswellen. Einer ihrer möglichen Auslöser sind Schwarze Löcher. Sind Masse und Energie das Gleiche? Ja und nein. Einstein zeigte, dass Masse und Energie zwar nicht gleich, aber einander äquivalent sind. Jeder kennt die Formel: E = mc ² Links steht die Energie E , rechts die Masse m und das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit c . Theoretisch kann eine Masse vollständig in Energie umgewandelt werden. Genutzt wird diese Erkenntnis in Kernkraftwerken und Atombomben, wobei es mit den heutigen Techniken aber nur gelingt, einen Teil der Masse umzuwandeln. Kann man Schwarze Löcher sehen? Ja. Lange Zeit galten Schwarze Löcher als unbeobachtbar, weil sie keine Strahlung aussenden. Ihre hohe Schwerkraft wirkt aber auf ihre Umgebung. Sie beschleunigen z. B. nahe vorbeiziehende Sterne oder saugen Gaswolken auf. Letztere heizen sich dabei auf, so dass sie im Röntgenlicht zu beobachten sind. So verraten sich Schwarze Löcher dann doch. Schwarze Löcher entstehen, wenn besonders massereiche Sterne am Ende ihrer Lebensdauer durch ihre eigene Schwerkraft zu einem Himmelskörper extremer Dichte zusammenfallen. In ihnen ist so viel Materie auf so kleinem Volumen konzentriert, dass die von ihnen ausgehende Schwerkraft sogar das Licht aufhält, das von ihnen entweicht. Deshalb der Name »Schwarzes Loch«. In Inneren eines Schwarzen Lochs hören Raum und Zeit in der uns bekannten Form auf zu existieren. Der Grund dafür ist ein sich selbst verstärkender Effekt: Durch die hohe Massenkonzentration wird der Raum um den Sternüberrest extrem gekrümmt. Dadurch sammelt sich noch mehr Materie an, wodurch aber auch die Gravitation anwächst. Das wiederum führt zu einer noch stärkeren Massenkonzentration in einem immer kleiner werdenden Volumen – vergleichbar mit den Verhältnissen zu Beginn des Universums, also beim »Urknall«. Wie wird die Zeit »gemacht«? Relativitätstheorie hin und Zeitdehnung her – im Alltag braucht man eine »genormte« Zeit. In Deutschland ist dafür die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig zuständig. Die Atomuhren der PTB sind die genauesten Uhren der Welt. Sie nutzen aus, dass Atome des Elements Cäsium unter bestimmten Bedingungen eine Radiowelle einer ganz bestimmten Frequenz ausstrahlen. Diese Frequenz wird elektronisch mit höchster Präzision gemessen. Und weil die Zeit der Kehrwert der Frequenz ist, bedeutet die exakte Frequenzmessung gleichzeitig die Ermittlung der amtlichen Zeit. Das Zeitsignal wird mit dem Langwellensender DCF77 in ganz Europa verbreitet. Und auch über das Internet kann das Braunschweiger Zeitsignal zur Synchronisation des PC-Prozessortakts herangezogen werden. Wussten Sie, dass … eine Konsequenz der Relativitätstheorie ist, dass schwingende Körper großer Masse sog. Gravitationswellen abstrahlen? Bislang sind sie allerdings noch nie direkt nachgewiesen worden. man schon im Gravitationsfeld der Erde eine minimale Zeitdehnung nachweisen kann? Eine Uhr in 100 m Höhe über dem Erdboden geht pro Tag etwa eine milliardstel Sekunde schneller als eine Uhr direkt am Boden. die Zeitdehnung merkliche Auswirkungen beispielsweise bei Satelliten hat? Bei der Auswertung von GPS-Signalen ist daher immer eine »relativistische Korrekturrechnung« nötig. durch die Raumkrümmung das Licht sehr weit entfernter Sterne gesammelt werden kann? Die Astronomen sprechen von sog. Gravitationslinsen. Wussten Sie, dass … die Effekte, die die Relativitätstheorie voraussagt, ganz alltäglich wären, wenn die Lichtgeschwindigkeit nur 100 km/h betrüge? Wir würden dann bereits bei zügigem Radfahren einem Beobachter um einige Kilogramm schwerer und dazu in Fahrtrichtung deutlich gestaucht erscheinen. Hatte Einstein Vorgänger? Ja, den niederländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz (1853 – 1928), der schon mit 25 Jahren auf einen der ersten europäischen Lehrstühle für Theoretische Physik berufen wurde. 1875 erklärte Lorentz Lichtbeugung und Lichtbrechung mithilfe der Maxwell'schen Gesetze und zeigte 1895, dass eine elektrische Ladung, die sich in einem elektrischen oder magnetischen Feld bewegt, eine zusätzliche Kraft (»Lorentz-Kraft«) erfährt. Seine theoretischen Vorstellungen zur Struktur der Materie brachten ihm 1902 den Nobelpreis ein. Zum Wegbereiter der Relativitätstheorie wurde Hendrik Lorentz mit einer mathematischen Beschreibung der Längenverkürzung und Zeitdehnung. Einstein griff diese auf, interpretierte sie aber anders. Lorentz war nicht nur Wissenschaftler, sondern bemühte sich auch um die Völkerverständigung in der schweren Zeit des Ersten Weltkriegs. Atome, Kerne, Teilchen: Kleiner, immer kleiner Sind Atome Elementarteilchen? Nein. Atome bestehen aus einem Kern, der von einer Hülle aus Elektronen umgeben ist. Der Kern wiederum ist aus zwei Bausteinen aufgebaut: den Protonen (positiv geladenen Teilchen) und den Neutronen (neutral). Atome sind schon winzig, der Atomkern ist zehntausendmal kleiner und Protonen und Neutronen sind noch eine Stufe kleiner. Trotzdem bestehen auch sie aus weiteren Teilchen, und zwar aus solchen, deren Größe man gar nicht angeben kann: den Quarks. Von denen gibt es sechs verschiedene Sorten, und zwei davon, das »Up-Quark« (u) und das »Down-Quark« (d), bilden in unterschiedlichen Kombinationen das Proton (uud) und das Neutron (udd). Das Besondere an Quarks: Als freie Teilchen existieren sie nicht, sondern nur als »eingeschlossene«. Sie sind überhaupt seltsam, denn die elektrische Ladung eines Quarks ist nicht ganz, sondern »gebrochen«: Sie beträgt immer entweder genau 1/3 oder genau 2/3 der Elementarladung (der Ladung des Elektrons). Die Quarks bilden die eine Gruppe der »eigentlichen« Elementarteilchen (man spricht auch von Fundamentalteilchen). Das Elektron ist der wichtigste Vertreter einer zweiten Gruppe von Elementarteilchen, der Leptonen. Gibt es einen »Kitt der Materie«? Ja, das sind die Elektronen, denn sie bringen fast allein alle Erscheinungsformen der uns bekannten Materie hervor. Sie halten die Atome eines Körpers auf Abstand, neutralisieren die positive Ladung der Atomkerne, so dass sich Atome überhaupt zu Festkörpern zusammenfinden können, und sie bestimmen die unterschiedlichen Eigenschaften der chemischen Elemente sowie die Natur und Stärke der Bindungen, welche die Elemente untereinander eingehen. Dabei sind die Elektronen so winzig, dass noch nicht einmal ihr Durchmesser bekannt ist. Können Fusionsreaktoren unseren Energiebedarf decken? Ja, aber nicht in unmittelbarer Zukunft. Zwar können wir durch die Fusion (Verschmelzung) leichter Atomkerne Energie gewinnen – ganz so, wie die Sonne, die uns dies Tag für Tag vormacht: Sie setzt unvorstellbare Mengen an Energie durch die Fusion von Wasserstoffkernen frei. Der winzige Bruchteil, den sie davon jährlich auf die Erde strahlt, ist 7000-mal größer als der Jahresenergieverbrauch der Weltbevölkerung! Leider gibt es aber auch nach 50 Jahren Fusionsforschung immer noch viele ungelöste technische Probleme. So muss der Fusionsbrennstoff auf über zehn Millionen Grad aufgeheizt werden, weil erst dann Kernverschmelzungen möglich sind. Er darf dabei die Wände der Brennkammer nicht berühren. Dieser extreme, Plasma genannte Materiezustand konnte zwar in Testreaktoren wie dem »Joint European Torus« (JET, Culham) erreicht werden, allerdings immer nur für kurze Zeit. Die Frage nach einer möglichen radioaktiven Belastung der Umwelt stellt sich bei Fusionsreaktoren zwar auch, ist aber wegen der kurzen Halbwertszeiten der radioaktiven Materialien (z. B. 2,73 Jahre für Eisen-55) nicht so brisant wie bei Kernkraftwerken. Radioaktiv werden v. a. die aus Metall bestehenden Wände. Was ist Kernspaltung? Enthält ein Atomkern zu viele Protonen, ist er wegen deren gegenseitiger elektrischer Abstoßung instabil. Solche Kerne wandeln sich in stabile um, indem sie kleine Teilchen (»♋-«oder »♌-Teilchen«) und hochenergetische Strahlung (»♑-Quanten«) aussenden. Einige schwere Kerne, zum Beispiel Uran-235 oder Plutonium-239, spalten sich in zwei mittelgroße Kerne auf. Hierzu müssen sie zwar zunächst ein freies Neutron »einfangen«, doch bei dieser so genannten Kernspaltung werden neben großen Mengen von Energie auch Neutronen freigesetzt – so dass im Prinzip ein einziges Neutron genügt, um in einer unkontrollierten Kettenreaktion große Mengen von Uran zu spalten. Dieser Fall wäre eine Atombombe. In einem Kernkraftwerk verhindern Neutronen-absorbierende Regelstäbe, dass pro Spaltung mehr als ein Neutron eine neue Reaktion auslösen kann. Wussten Sie, dass … der Atomdurchmesser nur ein Hunderttausendstel einer biologischen Zelle beträgt? man die Masse von Elementarteilchen mithilfe einer Energieeinheit angibt? Dies ist möglich, da wegen der Einstein-Beziehung E = mc ² die Masse m und die Energie E gleichwertig sind. die Elektronenhülle eines Atoms sehr kompliziert aufgebaut ist? Sie besteht ähnlich einer Zwiebel aus mehreren übereinanderliegenden Schalen, die jeweils komplizierte Formen (»Orbitale«) zeigen. die Physiker in den 1960er-Jahren Dutzende »Elementarteilchen« nachgewiesen hatten? Erst dem US-Amerikaner Murray Gell-Mann gelang es mit seiner Theorie der Quarks, Ordnung in diesen »Teilchenzoo« zu bringen. Dafür erhielt er 1969 den Nobelpreis. der größte Teilchenbeschleuniger LHC in einem Ringtunnel mit einem Umfang von 27 km installiert wird? Der 2007 fertiggestellte Beschleuniger am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf hat einen Energieverbrauch wie eine Kleinstadt. bei Beschleunigerexperimenten so unvorstellbare Datenmengen anfallen, dass dort die schnellsten Computer der Welt zum Einsatz kommen? Teilchen, Wellen, Quanten: Nichts ist so, wie es scheint Besteht Licht aus Teilchen oder Wellen? Beides ist richtig, und das auch noch gleichzeitig! In den vergangenen Jahrhunderten war sich die Wissenschaft nie einig, ob Licht ein Teilchenstrom oder eine Wellenerscheinung ist. Isaac Newton, einer der größten Physiker aller Zeiten, hielt es aufgrund seiner Experimente für einen Teilchenstrom, und die meisten Wissenschaftler schlossen sich dieser Meinung an. Es gab beim Licht jedoch Erscheinungen, die nur bei Wellen auftreten: Interferenz und Beugung. Dies veranlasste Newtons Zeitgenossen Christiaan Huygens, Licht als Welle aufzufassen. Um 1900 ließ die Entdeckung des sog. Photoeffekts wieder auf Teilchen schließen; sie wurden Photonen genannt. Übrigens: Für die Erklärung des Photoeffekts erhielt Albert Einstein 1921 seinen Nobelpreis! Schließlich brachte die Quantentheorie in den 1920er-Jahren endgültig des Rätsels Lösung. Licht ist beides: Welle und gleichzeitig ein Strom von Photonen. Deren Energie ist mit der Frequenz der Welle über eine Beziehung verknüpft, die im Kern das von Max Planck bereits 1900 postulierte Wirkungsquantum (auch als Planck'sche Konstante bezeichnet) enthält. Können Messungen »unscharfe« Ergebnisse liefern? Ja, und zwar nicht nur im Alltag. In der Welt der Quanten führt die Frage zu einem der grundlegendsten Probleme der Physik überhaupt. Unsere Alltagserfahrung zeigt, dass mit den entsprechenden Instrumenten im Prinzip eine beliebig große Messgenauigkeit erreicht werden kann. Werner Heisenberg kam 1926 für die Quantenwelt zu einer anderen Aussage, die nach ihm Heisenberg'sche Unschärferelation genannt wird: »Bestimmte Größen lassen sich nicht gleichzeitig beliebig genau beobachten.« Zu diesen Größen gehören beispielsweise Zeit und Energie eines Teilchens – eines Quantenteilchens eben. Genauer ausgedrückt ist das Produkt aus den Messwerten von Energie und Zeit (oder von Ort und Impuls) stets größer als die Planck'sche Konstante. Wird eine der beiden Größen mit hoher Genauigkeit gemessen, muss sich die Genauigkeit der zweiten Größe verkleinern, sie muss unscharf werden. Beide Größen lassen sich nacheinander beliebig genau messen, aber nie gleichzeitig! Der Zahlenwert der Planck'schen Konstanten ist so extrem klein, dass die Unschärferelation für unseren Alltag direkt keine Rolle spielt. Ganz anders sieht es aber bei atomaren Größenordnungen aus. Und die sind z. B. bei den Strukturen von Computerchips schon bald erreicht: Zukünftige Computer müssen mit der Heisenberg'schen Unschärferelation zurechtkommen! Aber auch makroskopische Wellen zeigen eine ähnliche Unschärfebeziehung. Erkennen lässt sich das z. B., wenn man einen Dauerton gleichbleibender Frequenz und einen Knall miteinander vergleicht. Der Dauerton hat eine genau bestimmbare Frequenz (Tonhöhe), es gibt aber keinen exakten Zeitpunkt, zu dem er stattfindet. Ganz anders der Knall: Er ereignet sich in einem sehr kurzen Zeitabschnitt. Dafür hat er keine genaue Tonhöhe, also keine genau angebbare Frequenz. Das durch die Heisenberg'sche Unschärferelation aufgeworfene Grundproblem der Physik lautet: Was ist eine Messung? An dieser Frage beißen sich die Forscher auch heute noch die Zähne aus. Ist »Beamen« wirklich möglich? Noch nicht, aber in der Quantenwelt sind erste Experimente dazu bereits gelungen. Lichtquanten (Photonen), Elektronen oder Moleküle lassen sich in einer Weise verknüpfen, die »Verschränkung« genannt wird. Wenn die Quantenzustände von zwei Photonen verschränkt sind, dann sind bestimmte physikalische Größen wie die sog. Polarisation nur für beide gemeinsam definiert – etwa derart, dass die Summe der Einzelpolarisationen immer gerade Null ergeben muss. Dies scheint nicht sonderlich beunruhigend zu sein, hat aber dramatische Konsequenzen: Nehmen wir an, ein Atom sende zwei verschränkte Photonen in unterschiedliche Richtungen aus. Bestimmen wir nun an einem von ihnen die Polarisation, kennen wir augenblicklich auch die Polarisation des anderen, egal wie weit es sich zwischenzeitlich entfernt hat! Solch eine – wie Albert Einstein formulierte – »spukhafte Fernwirkung« widerspricht dem Grundgesetz der Relativitätstheorie: Nichts, auch keine Information, kann sich schneller als das Licht ausbreiten, schon gar nicht darf dies mit unendlicher Geschwindigkeit geschehen. Und doch ist Anton Zeilinger von der Universität Wien diese Quantenteleportation von Photonen gelungen! Erste praktische Anwendungen erhofft man sich in der Quantenkryptographie, also dem abhörsicheren Datenverkehr. Alles andere bleibt – vorläufig – Science-Fiction. Können »rechts« und »links« immer unterschieden werden? Nein, denn in der Welt der Quanten ist beides gleichzeitig möglich! Aber die Quantenmechanik, welche die Gesetzmäßigkeiten der Quantenwelt beschreibt, liegt außerhalb unserer alltäglichen Erfahrungen und ist daher für uns »makroskopische« Menschen sehr ungewohnt. Um ihre Eigentümlichkeiten besser zu verstehen, wollen wir uns vorstellen, dass sich ein Kollege von uns seit einem missglückten Experiment wie ein quantenmechanisches Teilchen verhält. Damit ist er sowohl Teilchen als auch Welle. Der Haupteingang unseres Labors habe zwei nebeneinander befindliche Türen. Wird der Kollege beobachtet, wie er durch den Haupteingang kommt, so verhält er sich wie ein Teilchen und betritt das Labor – wie erwartet – durch eine der beiden Türen. Sieht aber niemand hin, so kann er als »Welle« durch beide Türen gleichzeitig ins Foyer gelangen! Wussten Sie, dass … Max Planck sein »Wirkungsquantum« im Jahr 1900 als rein hypothetische Größe einführte? Erst Einstein nahm die Quantenhypothese ernst und rechnete mit Teilchen. Werner Heisenberg eine Art physikalisches Wunderkind war? Schon mit 26 Jahren wurde er Professor und schuf die theoretischen Grundlagen der Quantenmechanik. sich auch Teilchen wie eine Welle verhalten können? Victor de Broglie forderte 1924 theoretisch solche »Elektronenwellen«, die 1927 auch nachgewiesen wurden (Nobelpreis 1929). die Quantenwelt durch »Zufälle« bestimmt ist? Anders als in der Alltagswelt (z. B. beim Wurf eines Würfels) gibt es dabei aber keinerlei Möglichkeit einer Voraussage. Quantenmechanische Einzelereignisse unterliegen keiner Kausalität. Anfang und Ende der Welt: Urknall und Feuerwerk Wie entstand die Welt? Wissenschaftlich anerkannt ist heute die Theorie vom »Urknall«: Zu seinem Beginn – vor etwa 14 Milliarden Jahren – befand sich die Materie in einem Zustand nahezu unendlich hoher Dichte und Temperatur, die mit heutiger Physik kaum zu erfassen ist. Seitdem dehnt sich das Weltall aus und kühlt dabei fortwährend ab. Nach etwa 10 –35 Sekunden begannen die vier fundamentalen Kräfte aufzutreten. Es wurden Unmengen an Energie frei, wodurch sich der Kosmos blitzartig aufblähte, sein Radius wuchs dabei um das 10 30 -bis 10 50 -Fache! Dieser Prozess wird als »kosmische Inflation« bezeichnet. Anschließend bildeten sich die Elementarteilchen (Elektronen, Quarks, …) sowie deren Antiteilchen. Noch in den ersten Minuten vereinten sich zunächst Quarks zu Protonen und Neutronen und dann diese zu Atomkernen. Erst 300 000 Jahre später aber war das All mit »nur noch« 3000 Kelvin so weit abgekühlt, dass die Atomkerne zusammen mit den Elektronen neutrale Atome bilden konnten. Diese absorbieren, anders als die elektrisch geladenen »nackten« Kerne, Licht nicht vollständig – das All wurde schlagartig »durchsichtig«. Spätestens nach einigen Millionen Jahren hatten sich winzige Schwankungen in der zunächst praktisch gleichförmigen Materieverteilung so verstärkt, dass die ersten Sterne und Galaxien entstanden. Knapp neun Milliarden Jahre später – das heißt fünf Milliarden Jahre vor der Gegenwart – bildete sich schließlich unser Sonnensystem. Existieren Paralleluniversen? Möglicherweise ja. Sie könnten bereits vor dem Urknall vorhanden gewesen sein! Beim Urknall begann sich nicht nur das Universum auszudehnen – auch die Zeit selbst nahm ihren Anfang. Ein »Davor« gibt es im kosmologischen Standardmodell nicht: Über Ereignisse außerhalb von Zeit (und Raum) lässt sich wissenschaftlich keine Aussage treffen. Allerdings: Moderne kosmologische Theorien wagen es, über den Urknall hinaus zurückzublicken. So sieht man den sich seit dem Urknall aufblähenden Raumbereich nur als eine Blase in einer größeren Struktur, denkt sich den Urknall als Zusammenstoß von höherdimensionalen Objekten, über deren Eigenschaften noch nichts bekannt ist, oder spekuliert, dass unendlich viele Universen mit anderen Naturgesetzen parallel existieren. Wird das Ende der Welt der Kältetod oder ein Feuerwerk sein? Darauf sind prinzipiell zwei Antworten möglich: Entweder setzt sich die Expansion des Weltalls bis in alle Zeiten fort, oder sie kehrt sich eines Tages um. Falls Ersteres passiert, stirbt die Welt einen Kältetod, denn je weiter die Sternsysteme voneinander entfernt sind, um so kälter wird es. Im zweiten Fall wäre ein spektakulärer »Big Crunch«, eine allumfassende Implosion quasi als Spiegelbild des Urknalls, in ferner Zukunft zu erwarten. Dies käme in der Tat einem Feuerwerk gleich. Ein Punkt ist für das Schicksal der Welt sehr wichtig: Wie viel Masse enthält das Universum als Ganzes? Überschreitet diese nämlich einen gewissen Wert, dann reicht die Massenanziehung aus, um die Expansion zu stoppen, andernfalls nicht. Was ist »Dunkle Materie«? Die Frage lässt sich nicht genau beantworten. Die Existenz Dunkler Materie wurde postuliert, weil Vieles dafür spricht, dass das Universum mehr Masse enthält als sichtbar ist. Die Bewegung von einigen Spiralgalaxien und Galaxienhaufen lässt sich z. B. nur erklären, wenn man annimmt, das gesamte Universum sei mit dieser Dunklen Materie erfüllt. Diese sendet kein sichtbares Licht aus, sondern verrät sich nur über ihre Schwerkraft. Ein ähnliches Ergebnis liefern Galaxienhauf