Übergewicht und andere Energieprobleme

Zunge

Eine Folge der Einsteinschen Formel ist die Erkenntnis, dass sich Masse in Energie verwandeln kann und umgekehrt. Allerdings muss man für diese Erkenntnis nicht unbedingt Physiker sein. Beinahe jeder, der etwas zuviel Körpergewicht auf die Waage bringt, oder der auch nur glaubt, dass er zu dick sei, wird diesen Zusammenhang erklären können. Unser Körper wandelt bekanntlich die ihm zugeführte feste oder flüssige Nahrung in Energie um. Kann er aus der bereitgestellten Nahrung mehr Energie gewinnen, als er gerade benötigt, dann macht er aus den Energieträgern Fettpolster als Reserve für schlechte Zeiten. Wenn die schlechten Zeiten ausbleiben und sich die Reserven verfestigen, dann können sie zu Problemzonen werden. Wie wir sehen, aus Masse in Form von Nahrung wird Energie oder eben wieder Masse in Form von Fettgewebe. Wenn sich diese Umwandlung von Masse in Energie ebenfalls nach der Formel E=mc² vollzieht, dann ist klar, dass man eine ganze Menge Kilometer laufen muss, um ein Kilogramm Fett loszuwerden. Wir sollten uns noch einmal mit dieser Formel befassen.

Einsteins Formel ist von Physikern vielfältig geprüft und für richtig befunden worden. Ferdinand plagte jedoch die Frage, warum die Lichtgeschwindigkeit in dieser Formel eine derart herausgehobene Rolle spielt. Er glaubte, das dies mit einem Missverständnis zusammenhängt, das in der Geschichte der Physik seine Wurzeln hat. Lange Zeit hatte nämlich die Untersuchung des Lichts eine zentrale Rolle in den Überlegungen der Physiker gespielt. Als es gelang, dessen Geschwindigkeit mit hoher Präzision zu bestimmen, galt dies als Meilenstein. Außerdem war die These, dass die Lichtgeschwindigkeit die höchste aller möglichen Geschwindigkeiten sei, zu einer Kernaussage der modernen Physik geworden. Nach und nach wurde jedoch klar, dass neben den Photonen auch andere „Teilchen“, wie Elektronen oder Neutrinos, sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Das gemeinsame Merkmal dieser „Teilchen“ besteht darin, dass sie nicht aus noch kleineren Bausteinen aufgebaut sind, weshalb sie, im Unterschied zu Teilchen, die eine innere Struktur besitzen, hier als Energiepartikel bezeichnet werden sollen. So gesehen ist „c“ nicht nur die Geschwindigkeit des Lichts, sondern allgemein die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Energie.

Es entsteht allerdings die Frage, wieso die aus Masse resultierende Energie so exorbitant viel größer ist (c²) als die Energie, die sich in ihrer Ausbreitung (c) zeigt? Um uns dieser Frage zu nähern, sollten wir erst einmal sortieren, woraus sich die Energie eines solchen Partikels zusammensetzt. Energie, das ist Bewegung. Also, welche Bewegungen vollführt ein Energiepartikel? Da haben wir die Expansionsbewegung, das heißt, die Bewegung mit der sich Energie im Raum ausbreitet. Man kann den Energiegehalt dieser Bewegung in ihrer Geschwindigkeit messen. Sie ist für alle Energiepartikel, „normale“ Bedingungen vorausgesetzt, durch die Lichtgeschwindigkeit charakterisiert. Eine zweite Bewegung der Partikel ist ihr Spin, das heißt ihre Drehbewegung um sich selbst. Die Geschwindigkeit dieser Drehbewegung, ihre Frequenz, ist nicht bei allen Partikelarten gleich. Die Frequenz kann auch bei ein und derselben Partikelart, wie den Photonen, variieren. Je schneller sie sich drehen, desto höher ist ihr Energiegehalt. Energiereiche Strahlung kann Stoffe stärker durchdringen als energieärmere, vermutlich weil durch die höhere Frequenz dieser Partikel ihre äußere Form stabiler wird. Neben der Frequenz ist der Spin auch durch die Drehrichtung charakterisiert. Sie kann nach links oder nach rechts gerichtet sein und so die Partikel als zur Materie oder zur Antimaterie gehörend bestimmen. Außerdem wissen wir von den Quarks, dass sie sich durch die Drehung nach oben oder nach unter unterscheiden, was weitere Varianten hervorbringt.

Die Expansionsbewegung ist für alle Energiepartikel durch die Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Die Frequenz des Spins kann, wie wir von den Photonen wissen, für die selbe Partikelart variieren. Außerdem kann die Drehrichtung des Spins unterschiedlich sein, und dies in zwei Dimensionenen. Die Partikel können natürlich auch in Raum und Zeit, das heißt in ihrer Größe und ihrer Lebensdauer, unterschiedlich sein. Für den Energiegehalt der Partikel ist jedoch die Frage wichtiger, ob wir bereits alle ihre Bewegungen erfasst haben. Die Expansionsbewegung ist die Ausbreitung im Raum, der Spin ist die äußere Bewegung der Partikel, doch was ist mit den Bewegungen in ihrem Inneren? Diese inneren Bewegungen könnten zum Beispiel mehr oder weniger stark verdichtet sein. Je größer die Energiedichte im Innern eines Partikels ist, umso größer wäre dessen Masseäquivalent, vergleichbares Volumen vorausgesetzt. Außerden würde in einem solchen Fall die Form des Partikels kompakter werden. Partikel mit einer geringeren Energiedichte sollten aus dem gleichen Grund andere Stoffe leichter durchdringen. Das scheint jedoch nicht immer der Fall zu sein. Die Masse eines Photons wird mit Null angegeben. Da ein Photon Energie verkörpert, kann dies nicht richtig sein, auch wenn die aus seiner Energie abgeleitete Masse äußerst gering ausfallen wird. Im Gegensatz dazu ordnet man dem Neutrino heute eine Masse zu. Demnach sollte das Neutrino eine höhere Energiedichte aufweisen als das Photon. Trotzdem durchdringt das Neutrino Stoffe, die die Photonen nicht zu durchdringen vermögen. Die Fähigkeit, andere Stoffe zu durchdringen, kann also nicht nur von der Energiedichte der Partikel abhängen. Neben der Frequenz des Spins, der hier ebenfalls eine Rolle spielt, könnte auch die Struktur der inneren Bewegungen, das heißt, die Art und Weise, mit der sich die Energie im Innern des Partikels verwirbelt, Einfluss haben.

Nehmen wir uns dazu noch einmal die Neutronen vor. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Neutronen als aus zwei down-Quarks und einem up-Quark bestehend. Damit vereinen die Neutronen mehr Energie in sich als die Protonen. Die Außenwirkungen der Neutronen müssten somit eigentlich stärker sein als die der Protonen. Das sind sie aber nicht. Die Ursache dieses Phänomens muss mit dem zweiten down-Quark zusammenhängen, das da gern mal zerfällt. Beide down-Quarks werden mit dem gleichen energetischen Wert angegeben. Das heißt, die Dichte ihrer inneren Energie sollte sich nicht unterscheiden. Da sie sich aber verschieden verhalten, denn nur eines zerfällt, muss ihre innere Struktur, mithin die Struktur der Bewegungen, aus denen sie gebildet werden, unterschiedlich sein. Während das eine down-Quark, das analog auch im Proton vorkommt, eine vergleichsweise konsistente Struktur aufweist, entpuppt sich das zweite down-Quark als Unruhegeist. Seine innere Struktur ist etwas chaotisch, mit teilweise der Hauptbewegungsrichtung entgegengesetzten Anteilen. Die unterschiedlichen Bewegungsanteile stören einander und vermindern die Außenwirkung des Quarks und in der Folge auch die des Neutrons. Wirkt keine genügend große Kraft, die diesen chaotischen Haufen zusammenhält, oder stören äußere Einflüsse den Gesamtzusammenhang, dann trennen sich die unterschiedlichen Bewegungsanteile des zweiten down-Quarks. Das Neutron wird zum Proton, wobei das nun überschüssige Elektron und die der Hauptbewegungsrichtung entgegengesetzte Energie in Form eines Anti-Neutrinos ihrer Wege gehen.

zuletzt geändert: 07.06.2019

Yin und Yang

Yin und Yang

Yin und Yang sind Sinnbild für gegensätzliche Kräfte, die einander bekämpfen und die doch zusammengehören. Sie müssen ein Gleichgewicht finden, denn sie können nicht ohne die andere existieren. Dieses Gleichgewicht ist nichts statisches, etwa schwarze und weiße Blöcke, die sich starr gegenüberstehen, sondern die Kräfte greifen ineinander und erzeugen auf diese Weise Dynamik. Außerdem tragen die Gegensätze ihr Pendant in Form eines Punktes in sich. Schwarz ist irgendwo auch weiß und umgekehrt. Insofern ist das Bild von Yin und Yang anschaulicher Ausdruck eines dialektischen Zusammenhangs. Für meinen Geschmack ist das Bild jedoch etwas zu „rund“. Wenn die in den Strukturen wirkenden Kräfte derart ausgeglichen wären, würden keine Veränderungen stattfinden. Jede Veränderung verlangt oder bewirkt wiederum die Aufnahme oder Abgabe von Energie, also eine Interaktion mit der Umwelt, mithin eine Öffnung nach außen.

Trotzdem ist das Gleichgewicht der Kräfte ein wichtiger Aspekt für das Verständnis der Welt. Natürlich interessiert uns an dieser Stelle nicht vorrangig das Verhältnis von hell und dunkel, hart und weich oder gut und böse, wie bei den Lehren von Yin und Yang, unser Thema ist das Verhältnis von Struktur und Bewegung respektive von Masse und Energie sowie die mit ihnen verbundenen Kräfte. Wir hatten gesehen, dass es zwei Kräfte sind, die die Bildung, Veränderung und Zerstörung von Strukturen bewirken – die Zentrifugalkraft und die Gravitationskraft. Sie resultieren aus den primären Bewegungsarten – die Zentrifugalkraft aus der Bewegung der Teilchen oder Körper um sich selbst und die Gravitationskraft aus der Verwirbelung von Energie in ihrem Inneren. Die Gravitationskraft bewirkt den Zusammenhalt einer Struktur respektive ihrer Teile, die Zentrifugalkraft bewirkt, dass deren Teile auf Abstand gehalten werden, so dass ihnen genügend Bewegungsraum bleibt. In einem Atom bindet die Anziehungskraft der Protonen die Elektronen an den Kern, sie ist gleichzeitig nicht so übermächtig, dass sie die Elektronen in den Kern hineinziehen könnte. Die Elektronen bleiben dank der Fliehkräfte auf einer Umlaufbahn und können auf diese Weise einen energetischen Gegenpol zu den Protonen bilden. Die Bewegung der Elektonen um den Kern herum kann man dabei als sekundäre Bewegungsform betrachten. Sobald die Elektronen von den im Atom wirkenden Kräften befreit werden, nutzen sie ihre Energie für die Ausbreitung im Raum, ihrer originären Daseinsweise.

Letztlich sind alle Strukturen, im Mikrokosmos wie auch im Makrokosmos, nach den gleichen Prinzipien aufgebaut. Sie besitzen einen Massemittelpunkt, der von Trabanten umrundet wird. In den Trabanten steckt der überwiegende Teil der Bewegungsenergie dieser Struktur, so dass ein Gleichgewicht von Masse und Energie entsteht, das in letzter Konsequenz ein energetisches Gleichgewicht ist. Aus diesem Gleichgewicht resultiert ein Gleichgewicht der Kräfte, das für Stabilität sorgt, die sich in relativ gleichförmigen Bewegungen der Struktur sowie ihrer Bestandteile äußert. Auf diese Weise entsteht der Eindruck, dass die Teile der Struktur „träge“ ihren Bahnen folgen. Diese „Trägheit“ ist Resultat der Kräfte, die in dieser Struktur gleichgewichtig wirken. Doch, nichts bleibt so, wie es ist. Es gibt Strukturen, die verschwenderisch mit Energie um sich werfen, wie unsere Sonne, und andere, die alles aufsaugen, was in ihre Nähe kommt. Außerdem gibt es noch Vagabunden, die sich aus Strukturen herausgelöst haben und nun wie Geisterfahrer durchs Weltall irren. Manche von ihnen sind harmlos, wie die Photonen und andere Minnis. Problematisch wird es, wenn größere Brocken auf Kollisionskurs reisen. Ein Zusammenstoß mit ihnen kann ungeahnte Folgen zeitigen. Die Dinosaurier könnten ein Lied davon singen.

Allen Störenfrieden zum Trotz ist Stabiltät ein wichtiges Merkmal der Welt. Wenn unser Sonnensystem nicht seit Jahrmillionen stabil existieren würde, dann würde es die Menschheit nicht geben. Unser Sonnensystem zeigt gleichzeitig, dass das erreichte Gleichgewicht nichts statisches ist. Die Sonne verballert Energie und damit Masse geradezu verschwenderisch, was zwangsläufig das energetische Gleichgewicht des gesamten Systems beeinflusst. Die damit verbundenen Schwankungen im Kraftgefüge kann die Struktur in bestimmten Grenzen aushalten. Wenn die Sonne allerdings so weitermacht, wird irgendwann ihr unerschöpflich erscheinendes Reservoir an Masse soweit dahingeschmolzen sein, dass ein Punkt erreicht ist, an dem die Struktur ihr Gleichgewicht verliert. Dann wird das System in mehr oder weniger spektakulärer Weise seine Existenz beenden. Die noch verbliebenen Bestandteile werden sich in die Weiten des Weltraums verflüchtigen oder sie finden sich in neuer Weise zu Strukturen zusammen. Aber keine Bange, die Erde wird es dann schon längst nicht mehr geben.

Innere Faktoren, die zu Veränderungen führen, gibt es jedoch nicht nur bei Himmelskörpern, auch auf atomarer Ebene wirken Kräfte, die Veränderungen hervorrufen. Elektronen haben zum Beispiel die Eigenart, dass sie nicht gern allein sind, denn sie stecken in einem Dilemma. Einerseits bilden sie den energetischen Gegenpart der Protonen, was zur Erlangung eines Gleichgewichts im Atom eine identische Anzahl von Protonen und Elektronen verlangt. Andererseits umrunden die Elektronen den Kern, so dass dieses Gleichgewicht in Ort und Zeit permanenten Schwankungen ausgesetzt wird. Um derartige Schwankungen zu minimieren, müssten mehrere Elektronen den Kern umrunden, was wiederum eine entsprechende Größe des dazugehörenden Kerns verlangt. Das Wasserstoffatom hat nun das Problem, dass es überhaupt nur ein Elektron binden kann. Um dieses Problem trotzdem zu lösen, bildet es mit einem anderen Wasserstoffatom eine gemeinsame Elektronenhülle. Auf diese Weise bleibt das energetische Gleichgewicht gesichert, gleichzeitig werden die störenden Schwankungen, die sich aus der Bewegung eines einzelnen Elektrons um den Kern ergeben, durch die gemeinsame Nutzung zweier Elektronen gemildert. Man könnte denken, größere Atome haben solche Probleme nicht. Da aber die Räume, in denen sich die Elektronen um den Kern herum bewegen, nur eine begrenzte Zahl von Elektronen aufnehmen können, müssen die jeweils verbleibenden in äußere Räume ausweichen. Dort sind sie womöglich wiederum Einzelgänger, die störende Schwankungen verursachen.

Das Gleichgewicht einer Struktur kann also sowohl durch innere wie durch äußere Faktoren beeinflusst werden. Und dann ist da noch das Universum als Ganzes, das sich wie ein überdimensionierter Luftballon aufbläst, so dass schon deswegen niemand und nichts von Veränderungen verschont bleibt. Insofern kann die so wichtige Stabilität nur ein zeitweiser, auf einzelne Strukturen beschränkter Zustand sein, während Veränderungen ihr permanenter Begleiter sind.

 zuletzt geändert: 04.07.2019

 

 

Strukturen, Chaos und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik

Bei uns gab es ein geflügeltes Wort, das von meiner Frau zu gern und mit einem Schmunzeln gebraucht wurde: „Schatz der 2. Hauptsatz der Thermodynamik hat wieder zugeschlagen“. Gemeint war: „Alter, du müsstest mal wieder Staub wischen.“ Entstanden war das Ganze, weil ich irgendwo einen Artikel über Entropie und den 2. Hauptsatz der Thermodynamik gelesen hatte, in dem es sinngemäß hieß, dass die Entropie, das heißt die Menge der nicht in Strukturen gebundenen Teilchen, tendenziell zunimmt. Als sehr anschauliches Beispiel war der Staub angeführt, der sich trotz aller Putzerei in Windeseile wieder und wieder ausbreitet. Davon habe ich meiner Frau erzählt, was sich als taktischer Fehler herausstellte.

Trotzdem ist das mit der Entropie spannend. Es geht schon damit los, dass man keine allgemein akzeptierte Erklärung darüber findet, was Entropie überhaupt ist. Vielleicht kommen wir ein Stück weiter, wenn wir uns ein wenig mit Strukturen und ihrem Gegenteil,  dem Chaos, beschäftigen, denn irgendwie, so scheint es, hat auch die Entropie etwas damit zu tun. Wie wir wissen, entstehen Strukturen dadurch, dass Teilchen Bindungen eingehen und sich dabei in einer bestimmten Anordnung formieren. Auslöser für diesen Prozess sind Kräfte der Anziehung und Abstoßung, die diese Teilchen aneinander binden und gleichzeitig auf eine gewisse Distanz halten, so dass Bewegungen innerhalb der Struktur möglich bleiben. Führt man einer solchen Struktur nun Energie zu, so verstärkt sich die Bewegung ihrer Teilchen, bis sie irgendwann mit ihrem Bewegungsdrang die Bindungen, die die Strukturen zusammenhalten, sprengen. Von ihren strukturellen Fesseln befreit, wirbeln die Teilchen nun in chaotischer Weise auseinander. Chaos und Struktur könnten kaum gegensätzlicher sein. Der Faktor, der letztlich den Unterschied ausmacht, ist die Bewegung sprich die Energie der Teilchen. In dem Maße wie ihr Energiegehalt steigt oder sinkt, verändert sich auch die Relation von zu Chaos drängender Bewegung auf der einen Seite und Festigkeit der Strukturen auf der anderen.

Gibt es Strukturen ganz ohne Bewegung? Kelvin hatte seinerzeit den absoluten Nullpunkt bestimmt, an dem eine Struktur keinerlei Energie, sprich Bewegung mehr verzeichnet. Der absolute Nullpunkt ist ein Grenzwert, dem man sich annähern, den man aber nicht erreichen kann. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass es keine Struktur ganz ohne Bewegung gibt. Die Bewegungen verkörpern aber das chaotische Moment, was wiederum bedeutet, dass sich keine Struktur findet, die nicht ein chaotisches Moment als Keim der Zerstörung in sich tragen würde. Wenn Struktur und Chaos einen Gegensatz bilden, dann müsste nach dem Verständnis der Dialektik auch die Umkehrung gelten, nämlich dass Chaos nicht ohne Struktur existieren kann. Nehmen wir wieder die Moleküle des Wasserdampfs als Beispiel. Sie folgen in ihren Bewegungen keiner erkennbaren Struktur, trotzdem ist der Vorgang des Verdampfens reversibel. Wenn Wasserdampf durch Entzug von Energie wieder Wasser wird, dann muss es auch für den Wasserdampf einen irgendwie gearteten strukturellen Zusammenhang geben, der die Umkehrung des Verdampfens ermöglicht. Aber welchen?

Jede Struktur ist Bestandteil einer übergeordneten Struktur ist, in letzter Konsequenz des Universums. Gleichzeitig besteht jede Struktur aus Bausteinen, die selbst eine Struktur besitzen. Löst sich nun eine bestimmte Struktur auf, so gilt das noch lange nicht für ihre Bestandteile. Sie bleiben samt der ihnen eigenen Struktur erhalten. Darüber hinaus bleiben diese Bestandteile auch weiterhin Teil übergeordneter Strukturen. Nehmen wir als Beispiel einmal an, es hätte geregnet und auf dem Hof hätten sich Pfützen gebildet. Da bald darauf die Sonne schien, dauerte es nicht lange und das Wasser war verdunstet. Das heißt, der im Wasser vorhandene strukturelle Zusammenhang hatte sich durch die von der Sonne gespendeten Energie aufgelöst. Mit dem Verschwinden der Pfütze hörten aber die Wassermoleküle nicht auf zu existieren. Sie schwirrten nun ohne den Verbund der Pfütze durch die Luft. Gelangt der Wasserdunst dabei in höhere Luftschichten, so werden die Moleküle feststellen, dass es dort kälter ist als in Bodennähe. Ihnen wird Energie entzogen, so dass sie sich wieder in größeren Strukturen, wie Wassertröpfchen, Schneeflocken oder gar Eiskörner, zusammenfinden müssen. Damit sich gasförmige Wassermoleküle wieder zu Wasser oder Eis formieren können, muss ihnen jedoch nicht nur Energie entzogen werden, es müssen auch genügend solcher Moleküle vorhanden sein, damit sich diese gegenseitig anziehen und eine gemensame Struktur bilden können. Das wird durch die übergeordnete Struktur gewährleistet. In unserem Beispiel ist das die Erde mit ihrer Athmosphäre, die ein Entschwinden der Moleküle gen Weltraum verhindert. Irgendwann und irgendwo wird aus den auf diese Weise entstandenen Wolken ein Regenschauer niedergehen, so dass sich wieder Pfützen bilden. Wie dem auch sei, festzuhalten bleibt, dass im Falle der Auflösung einer Struktur ihre Bestandteile, die ebenfalls eine Struktur besitzen, erhalten bleiben. Sie gehören nach wie vor zu einem der aufgelösten Struktur übergeordneten Ganzen, in dem sich die „freien“ Teile in neuer Weise zu Strukturen finden können. Mit anderen Worten, Strukturen sind allgegenwärtig, während Chaos nur in begrenzten Bezugssystemen möglich ist.

Chaos beruht auf Bewegung. Die Moleküle im Wasserdampf verwirbeln sich ununterbrochen, dabei breiten sie sich in alle Richtungen aus und zwar in dem Maße, wie es ihre Energie zulässt. Die Schneeflocke hingegen, die einmal ihren Platz gefunden hat, bleibt dort liegen, wo sie liegt. In beiden Fällen soll von äußeren Einflüssen abgesehen werden. Die Schneeflocke hat also ihre Ruhe gefunden. Ruhe ist das Gegenteil von Bewegung. Trotz dieser äußerlichen Ruheist die Bewegung der Atome und Moleküle innerhalb der Schneeflocke nicht erstorben. Außerdem bewegt sich unsere Schneeflocke samt der Erde um deren Achse und darüber hinaus um die Sonne. Das heißt, auch Ruhe ist relativ, auf ein definiertes Bezugssystem begrenzt, wohingegen Bewegung allgegenwärtig ist. Unterm Strich sind also Strukturen und Bewegungen universelle Erscheinungen, während Chaos und Ruhe auf bestimmte Bezugsebenen beschränkt bleiben.

Ausgangspunkt der Überlegungen war die Entropie. Wir hatten gehofft, dass das Nachdenken über Struktur und Chaos uns dem Verständnis der Entropie näher bringt. Dabei haben wir festgestellt, dass die Bestandteile einer Struktur Energie aufnehmen können, mit der sie ihre eigene Bewegung intensivieren. Dies geht aber nur bis zu einem bestimmten Punkt, nämlich bis die Bewegungen dieser Teile so heftig werden, dass sie die Struktur sprengen. Die Teile müssen fortan als Einzelkämpfer ihren Weg suchen. Wird ihnen wieder Energie entzogen, können sie zu einem Strukturverbund zurückfinden. Es gibt allerdings auch Strukturen, die permanent Energie abgeben, wie unsere Sonne. Sie ist im Universum nur eine von vielen, die durch die Auflösung oder Veränderung eigener Strukturen Energie freisetzen. Energie ist immer an Teilchen gebunden, das heißt, wenn Energie freigesetzt wird, werden energetische Teilchen, wie die Photonen, ins All geschleudert. So gesehen ist die Freisetzung von Energie immer mit der Erhöhung der Entropie verbunden, während die Einbindung von Energie in Strukturen das Gegenteil bewirkt. Wieso soll aber die Entropie aufs Ganze gesehen zunehmen? Das hängt offensichtlich mit der Expansion des Universums zusammen, die durch den Urknall in Gang gesetzt wurde. Mit der Ausdehnung des Universums werden die Abstände zwischen seinen Strukturelementen größer, was zu einer Schwächung des Zusammenhalts führt, so dass sich der Expansionsprozess beschleunigen kann. Die dafür erforderliche Energie kann unterm Strich nur aus der Auflösung von Strukturen resultieren, so dass die Zahl der nicht in Strukturen gebundenen Teilchen tendenziell wächst. Die Expansion des Universums und die zunehmende Entropie sind demnach zwei Seiten der selben Medaille. Während das Streben nach Ausgleich der Energieniveaus die Stabilität der Strukturen stärken soll, bewirkt die Entropie das genaue Gegenteil.

Bild: wdr.de

 zuletzt geändert: 02.06.2019

Einer für alle, alle für einen

dfv-konstanz.de

Die meisten kennen wahrscheinlich diesen Wahlspruch der drei Musketiere, die ja eigentlich vier waren. Warum er mir jetzt in den Sinn kommt, wo es doch um Kräfte geht? Nun, die Physiker unterscheiden vier Grundkräfte – die starke und die schwache Kraft sowie die elektromagnetische Kraft auf atomarer Ebene und die Gravitationskraft im Makrokosmos. Seit langem sucht man nach einem Erklärungsansatz, der alle vier Kräfte einschließt. Die Gravitationskraft will aber nicht so recht mitspielen. Vielleicht können wir mit unserer speziellen Sicht der Dinge weiterhelfen. Unser Ausgangspunkt sind die Gravitationskraft (Schwerkraft) sowie ihr Pendant, die Zentrifugalkraft (Fliehkraft). Sie wirken entgegengesetzt und sind doch beide für die Herausbildung und die Existenz der Strukturen unentbehrlich.

Werfen wir in diesem Zusammenhang einen kurzen Blick auf unser Sonnensystem. Die Sonne, die den größten Teil der Masse des Systems versammelt, hält mit ihrer Gravitationskraft die Planeten fest. Gleichzeitig rotiert sie um sich selbst. Diese Rotation verursacht die in der Struktur wirkende Zentrifugalkraft, die die Planeten im Verein mit der Gravitationskraft in Umlaufbahnen um die Sonne zwingt. Beide Kräfte haben in diesem System zu einem Gleichgewicht gefunden, das auf der einen Seite das Ganze zusammenhält und das auf der anderen Seite verhindert, dass die Planeten in die Sonne stürzen. Während im Zentralgestirn der größte Teil der Masse des Systems steckt, ist dessen Energie in den Bahnbewegungen der Planeten konzentriert.(1)

Unser Sonnensystem war für die Menschen lange Zeit die größte denkbare Struktur. Tatsächlich ist es jedoch nur ein Tropfen im Meer der Milchstraße, unserer Galaxis. Die Galaxis ist wahrscheinlich nach den gleichen Prinzipien wie unser Sonnensystem aufgebaut. Es gibt ein Zentralgestirn, das sich um sich selbst dreht. Von ihm werden alle Sternensysteme, die zur Galaxis gehören, zusammengehalten und in, wie auch immer geartete, Umlaufbahnen gezwungen. Je größer ein solches System ist, umso massereicher muss sein Mittelpunkt sein, damit die entstehende Schwerkraft einen ausreichend großen Raum abdeckt. Gleichzeitig muss diese Struktur, um das dynamische Gleichgewicht des Systems zu gewährleisten, Fliehkräfte in vergleichbarer Dimension entfalten. Damit ist das Spiel aber noch nicht zu Ende, denn auch unsere Galaxis ist Bestandteil von etwas Größerem. Wir wissen, dass es weitere Galaxen gibt. Es wäre zu vermuten, dass sie alle von den Kräften, die von einer Zentralstruktur ausgehen, im Bann gehalten werden und so das Universum bilden. Allerdings scheint bei der Entstehung des Universums etwas schief gegangen zu sein, denn es dehnt sich immerfort aus. Der mit dem Urknall gesetzte Impuls wirkt offensichtlich ungebremst fort. Das kann nur heißen, dass ein Gleichgewicht der Kräfte nicht zustande kam. Dieser „Unfall“ wird irgendwann die Auflösung des Universums zur Folge haben. Vielleicht ist dieser „Unfall“ aber gar kein solcher, sondern ein Zeichen dafür, dass dem Gigantismus der Strukturen natürliche Grenzen gesetzt sind.

Wenden wir uns an dieser Stelle ab von den Weiten des Universums und blicken noch einmal in den Mikrokosmos. Die Frage ist, ob im Mikrokosmos die gleichen Grundsätze für den Aufbau und die Bewegung der Strukturen gelten wie im Makrokosmos. Derartige Analogien standen zu Beginn der systematischen Erforschung des Atoms übrigens hoch im Kurs. Man erinnere sich nur an die ersten Atommodelle mit dem runden Kern in der Mitte und den Elektronenbällchen, die in festen Bahnen um diesen Kern kreisten. Es war wohl nicht zufällig, dass dieses Modell starke Ähnlichkeiten mit dem Modell unseres Sonnensystems aufwies. Die weiteren Forschungen stellten solche Vorstellungen allerdings mehr und mehr in Frage. Da sind zum Beispiel die Elektronen, die keine Teilchen im herkömmlichen Sinne sind. Die Geschwindigkeit, mit der sie den Kern umrunden, wird auch nicht in Jahren oder Tagen gemessen, sie geben vielmehr einen kaum vorstellbar schnellen Takt vor. Außerdem sind die verschiedenen Kernkräfte deutlich größer als es eine Gravitationskraft, berechnet in Relation zur Masse des Kerns, sein würde. Sind die Atome doch eine Welt für sich?

Die Unterschiede sind unbestreitbar, es gibt aber auch Gemeinsamkeiten. Genauso wie im Makrokosmos ist auch im Mikrokosmos die Masse im Zentralgestirn, hier im Atomkern, gebündelt, während sich die Bewegungsenergie in den Trabanten, hier in den Elektronen, konzentriert. Im Makrokosmos haben die Trabanten allerdings selbst Masse. Zudem sind sie häufig Mittelpunkt einer eigenen Struktur, wie jene Planeten, die einerseits eine Sonne umkreisen und andererseits selbst von Monden umrundet werden. Die Trabanten des Atomkerns, die Elektronen stellen hingegen pure Energie dar. Weder bestehen sie aus Bausteinen, noch sind sie selbst Mittelpunkt, um den andere kreisen. Trotzdem, müssen auch im Mikrokosmos die Strukturen irgendwie zusammengehalten werden. Darüber hinaus muss die Verklumpung, die jede Bewegung unmöglich machen würde, verhindert werden.

Die zwischen den Elektronen und dem Atomkern wirkenden Anziehungskräfte werden von den Physikern als elektromagnetische Kräfte bezeichnet. Sie werden von den unterschiedlichen Ladungen der Protonen und Elektronen hergeleitet. Nur was sind „Ladungen“ überhaupt? Welcher Eigenschaft der Strukturen sollen wir „Ladungen“ zuordnen? Das vorherrschende Charakteristikum des Kerns ist es, Masse zu sein; das dominierende Charakteristikum des Elektrons ist es, Energie zu verkörpern. Nur das Zusammenwirken beider Komponenten ermöglicht die Entstehung eines Atoms. Mehr noch, beide müssen sich auch in einem gewissen Gleichgewicht befinden, damit die Struktur, hier das Atom, dauerhaft existieren kann. Hat eine Struktur ein Manko hinsichtlich des energetischen Moments und eine andere einen Überschuss, dann könnten diese Strukturen zusammenkommen, denn miteinander würden sie ihr Problem lösen. Haben beide einen energetischen Überschuss oder beide ein energetisches Manko, dann können sie nichts füreinander tun. Sie stoßen sich ab. Aber, wie hängt das Ganze mit den Kräften und der Wirkungsrichtung der Kräfte zusammen? Ein Überschuss an Energie bedeutet, dass die nach außen weisenden Kraftwirkungen überwiegen. Ein Energiemanko hat zur Folge, dass die Anziehungskräfte, also die nach innen weisenden Kraftwirkungen dominieren. In beiden Fällen ist die Stabilität der Struktur gefährdet. Haben nun zwei Strukturen entgegengesetzte Überschusskräfte, dann wirken diese in die gleiche Richtung. Die potentiellen Partner ziehen sich magisch an. Haben sie dagegen gleichgerichtete Überschusskräfte, dann wirken diese gegeneinander. Diese Strukturen können nicht zueinander finden.

Damit hätten wir zwar eine Erklärung, warum sich einige Teilchen im atomaren Bereich anziehen und sich andere abstoßend finden, aber die Frage, woher sie die Kraft für den Annäherung– oder Abstoßungsprozess nehmen, ist noch offen. Wir wissen, dass der Atomkern einen Spin aufweist, aus dem Fliehkräfte erwachsen. Dass die Elektronen trotz der wirkenden Fliehkräfte den Atomverbund nicht verlassen, ist den ebenfalls vom Atomkern ausgehenden Anziehungskräften geschuldet. Soweit so gut. Doch, wo kommen die Anziehungskräfte her? Die Antwort muss im Atomkern, in den Protonen und Neutronen, zu finden sein. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik bestehen Neutronen aus jeweils zwei down- und einem up-Quark, Protonen umgekehrt aus einem down- und zwei up-Quarks. Freie, das heißt nicht in einem Atomkern gebundene, Neutronen zerfallen. Beim ß-Zerfall eines Neutrons wird ein down-Quark in ein up-Quark umgewandelt. Es entsteht ein Proton. Dabei werden ein Elektron und ein Anti-Neutrino, das heißt Energie, freigesetzt. Die Energie des Neutrinos ist darüber hinaus durch eine der Hauptrichtung entgegengesetzte Bewegung gekennzeichnet. Im Unterschied zum zerfallenden Neutron ist das entstehende Proton stabil. Diese Stabilität wird offensichtlich durch seine im Vergleich zum Neutron andersartige energetische Zusammensetzung bewirkt. Dann ist da noch der Umstand, dass das Neutron im Gegensatz zum Proton keine „Ladung“ besitzt. Von ihm geht also keine Wirkung nach außen aus. Demnach können es nur die Protonen sein, die den Kern beziehungsweise das Atom zusammenhalten.

Aber, warum ist das Neutron instabil und vom Proton geht Zusammenhalt aus? Beide, Protonen und Neutronen, bestehen aus jeweils zwei Arten von Quarks. Quarks wiederum besitzen selbst keine Strukturelemente. Sie sind Energie pur. Energie ist Bewegung. Die Frage ist also, welche Bewegung kennzeichnet die Quarks? Die Bewegung der Quarks wird als Spin beschrieben, also als eine Drehung um sich selbst. Eine Drehung generiert Fliehkräfte. Von der Bewegung der Quarks muss jedoch noch eine zweite Wirkung, eine Anziehungskraft, ausgehen. Folglich kann die Bewegung der Quarks mit einer Drehung um sich selbst nicht ausreichend beschrieben sein. Es muss zu dieser „äußeren“ noch eine zweite, eine „innere“ Bewegung hinzukommen. Nehmen wir an, diese zweite Bewegung sei eine Verwirbelung. Die Verwirbelung von Energie kann einen Sog erzeugen. In unserem Fall hält dieser Sog die sich verwirbelnde Energie zusammen, so dass die Quarks eine Form erhalten. Die Form ist wiederum Voraussetzung dafür, dass eine Drehung des Gebildes um sich selbst möglich wird.

Sowohl das Proton als auch das Neutron bestehen aus drei Quarks. Beide Teilchen müssen wieder durch zwei Bewegungsdimensionen charakterisiert sein. Zum einen verwirbelt sich die Energie in ihrem Innern und erzeugt auf diese Weise einen Sog, zum anderen überträgt sich der Spin der Quarks auf das jeweilige Teilchen als Ganzes. Sind die auf diese Weise entstehenden Kräfte im Gleichgewicht, dann ist der stabile Bestand des Teilchens gesichert. Im Neutron scheinen die auseinandertreibenden Kräfte jedoch geringfügig größer zu sein, wodurch sich der ß-Zerfall erklären würde. In den Protonen sind offensichtlich die Sogkräfte größer, so dass sie nicht nur den Kern formen, sondern auch Elektronen in ihren Bann ziehen. Da die Kraft des Sogs, der vom Kern ausgeht, mit der Anzahl der Protonen wächst, können größere Atomkerne mehr Elektronen binden. Diese Elektronen sind gleichzeitig für die Herstellung des energetischen Gleichgewichts im Atom erforderlich.

Die Existenzgrundlagen der Strukturen, ein massereicher Mittelpunkt und dynamische Trabanten, die durch Anziehungs- und Fliehkräfte zusammen und in Bewegung gehalten werden, sind im Mikrokosmos also keine anderen als im Makrokosmos. Es bleibt die Frage, woraus die anziehenden Kräfte im Makrokosmos, das heißt die Gravitationskräfte der Gestirne, resultieren. Sie müssten, einen vergleichbaren Aufbau unterstellt, ebenfalls durch die Verwirbelung von Energie im Inneren entstehen. Und tatsächlich, ein gemeinsames Merkmal der Gestirne besteht darin, dass es in ihrem Inneren vor Energie nur so brodelt. Je größer die Energiemengen sind, die sich da verwirbeln, umso größer kann auch die daraus erwachsende Sogwirkung respektive Gravitationskraft werden. Da die Energie im Innern der Gestirne an Strukturen gebunden ist, ist eine größere Energie auch mit einer größeren Masse verbunden. Insofern hat die Gravitationskraft einen Bezug zur Masse des Gestirns. Es bedeutet aber auch, dass von Himmelskörpern, die im Inneren erloschen sind, keine Gravitationskraft ausgehen kann. Sie können auch keine Rotation aufweisen, denn diese hätte die jeweilige Struktur, ohne den Gegenpol der Gravitation, längst auseinandergesprengt.

Da die Entstehung der Gravitationskraft von der Energie im Innern der Struktur abhängig ist, kann die Masse jedoch nicht ihre unmittelbare Bezugsgröße sein. Außerdem haben wir noch nicht geklärt, warum die Anziehungskräfte im atomaren Bereich deutlich größer sind, als es der Bezug zur Masse erwarten ließe. Gar nicht zu reden davon, dass das Proton und das Neutron, die eine vergleichbare Masse besitzen, ganz unterschiedliche Kräfte entfalten. Das heißt, die Anziehungskraft einer Struktur, kann auch nicht nur von der Energiemenge, die sich in ihrem Innern verwirbelt, abhängen. Ein weiterer determinierender Faktor muss hinzukommen. Dieser weitere Faktor kann nur die Art und Weise, wie sich die Energie im Innern der Struktur verwirbelt, sein.

1) Kristen Rohlfs, Die Ordnung des Universums. Birkhäuser Verlag Basel 1992

zuletzt geändert: 05.07.2019

Feuer ist, wenn ´s brennt

Bei den alten Griechen gab es, wie wir wissen, die Meinung, dass es vier Elemente wären, aus denen alles Sein dieser Welt aufgebaut sei – Erde, Wasser, Luft und Feuer. Zu den ersten drei dieser Elemente könnte sicher jeder sofort einen kleinen Vortrag halten. Aber, wie ist das mit dem Feuer? Was ist Feuer eigentlich?

Feuer ist, wenn ´s brennt. Diese Einsicht ist so fundamental wie nichtssagend. Schon, wenn man bestimmen will, was denn „brennen“ eigentlich bedeutet, wird es heikel. Für unsere Zwecke reicht eine vereinfachte Definition aus, die die Verbrennung als Oxydation, das heißt, als Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff beschreibt, deren besonderes Merkmal die Flammenbildung ist. Für die Flammenbildung muss der zu verbrennende Stoff gasförmig sein, damit er mit dem Sauerstoff der Luft reagieren kann. Bei dieser Reaktion werden Wärme und Licht frei. Letzteres nehmen wir als Flamme wahr. Viele Stoffe, die verbrannt werden sollen, sind aber nicht gasförmig und trotzdem brennen sie. Wie das? Indem wir sie gasförmig werden lassen. Dazu muss man ihnen Energie zuführen. Man kann zum Beispiel ein Feuerzeug nehmen und ein bisschen an der Zeitung zündeln. Durch die Energie, die von der Flamme des Feuerzeugs ausgeht, werden Moleküle des Papiers angeregt. Sie bewegen sich heftiger und einige von ihnen werden die Struktur des Papiers als Gas verlassen. Das Gas reagiert nun mit dem Sauerstoff der Luft und schon haben wir die Bescherung, es brennt. Und wenn es an einer Stelle brennt, dann wird durch den Brand soviel Energie freigesetzt, dass andere Dinge in der Nähe entflammen können. Dabei stellt sich heraus, dass einige Stoffe besser brennen als andere. Die Gründe dafür sind vor allem in der unterschiedlichen Stabilität der jeweiligen atomaren Strukturen zu suchen. Je stabiler diese Struktur ist, umso mehr Energie muss aufgewandt werden, um Moleküle aus deren Verbund zu lösen. Daneben können auch andere Faktoren eine Rolle spielen. Es könnte zum Beispiel sein, dass der Stoff Feuchtigkeit enthält, die das Entflammen verhindert. Trockenes Holz brennt lichterloh, feuchtes qualmt eher, denn für die Verdunstung des gespeicherten Wassers wird viel Energie verbraucht. Wie dem auch sei, faszinierend sind Flammen allemal, solange sie uns nicht zu nahe kommen, denn auch Haut, Haare, Fleisch und Fett brennen, recht gut sogar.

Bei der Verbrennung reagieren die Stoffe mit dem Sauerstoff der Luft, der dabei verbraucht wird. Gleichzeitig werden die bei der Verbrennung entstehenden Gase aufgeheizt, wodurch sich ihr Volumen schlagartig vergrößert. Die Verbrennungsgase sind nun leichter als Luft und entweichen nach oben. Dabei erzeugen sie einen Sog, der frischen Sauerstoff an die Feuerstelle heranführt, so dass das Feuer lustig weiterprasseln kann. Gelingt es, die Zufuhr von frischem Sauerstoff zu unterbinden, dann wird die Flamme erstickt, das Feuer erlischt. Es gibt auch andere Wege, einen Brand zu bekämpfen. Wird zum Beispiel alles Brennbare aus der Nähe der Flamme entfernt, dann findet sie keine Nahrung mehr, die Kettenreaktion des Verbrennens wird unterbrochen. Schließlich kann man auch die Stoffe in der Umgebung der Flamme kühlen, ihnen Wärme entziehen, so dass keine weiteren Verbrennungsgase entstehen. Auf diese Weise wird die Flamme „erfrieren“.

Nun ist das Feuer also wieder gelöscht. Aber wo kam die Energie her, die bei der Verbrennung in Form von heißlodernden Flammen entstand?

Gehen wir das Ganze noch einmal durch. Wir wollen ein Feuerchen machen und nehmen Holz dazu. Damit das Holz anfängt zu brennen, brauchen wir eine Zündflamme, jedenfalls brauchen wir Energie. Man könnte zwar auch Reibungswärme erzeugen und hoffen, dass irgendwann ein Funke überspringt und ein Flämmchen entsteht, das wäre jedoch aufwendig und wenig verlässlich. Wir bleiben lieber beim Feuerzeug. Die Flamme des Feuerzeugs besteht aus Licht und Wärme. Licht und Wärme sind zwei verschiedene Wahrnehmungen von Energie. Energie wiederum ist Ausdruck von Bewegung, hier der Bewegung von Molekülen und Atomen. Die Energie in Form der Zündflamme führt man nun dem Holz zu. Dort regt sie die Atome und Moleküle des Holzes an, deren Bewegungen sich verstärken, bis sie, erst vereinzelt dann immer öfter, die Struktur des Holzes verlassen und als Gas in die Luft entkommen. Aber so einfach entkommen sie nicht. Denn da ist der Sauerstoff, der nur darauf wartet, sich mit dem Kohlenstoff des Holzes zusammenzutun. Bei diesem Zusammenschluss werden Elektronen, mithin Energie freigesetzt, und dies in beträchtlichem Umfang.

Wie aber kam die „Energie“ in das Holz? Hauptenergielieferant der Erde mit allem, was auf ihr existiert, ist die Sonne. Pflanzen sind in der Lage, die Sonnenenergie einzufangen und in körpereigenen Stoffen zu speichern. Dazu wird Wasser mit Hilfe der Sonnenenergie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Sauerstoff wird an die Luft abgegeben, während sich der Wasserstoff mit dem Kohlendioxid der Luft derart verbindet, dass Zuckermoleküle entstehen. Sie sind die Energiespeicher, die die Pflanze zum Überleben braucht. Darüber hinaus sind sie Grundlage für die Bildung der Baumaterialien, die das Wachstum der Pflanze ermöglichen. Kohlenstoff hat nämlich die Besonderheit, dass er wegen seiner atomaren Struktur vielfältige Verbindungen mit anderen Stoffen eingehen kann. Außerdem ist er imstande, stabile Verbindungen mit sich selbst zu generieren, so dass er zum idealen Baustoff wird. Das gilt natürlich auch für den Baum, dessen Holz wir verbrennen wollen. Das heißt, der Baum brauchte den Kohlenstoff der Luft sowie die Energie der Sonne, um zu wachsen. Bei der Verbrennung des Holzes verbindet sich dieser Kohlenstoff nun mit dem Sauerstoff der Luft unter Freisetzung von Elektronen. Diese frei werdende Energie nehmen wir als heißlodernde Flammen wahr.

Bei aller Magie des Feuers, sollten wir aber nicht vergessen, dass der Baum das Holz nicht zu unserem Vergnügen gebildet hat. Es ist der Stoff, der ihm durch seine Stabilität ermöglicht, in die Höhe zu wachsen, dem Licht entgegen. Das Licht wiederum ist die Energie, die er für sein Überleben braucht. Da die Sonne nicht immer scheint, bildet er Energiedepots, die im Falle eines Mangels aufgelöst und in Energie rückverwandelt werden können. Steht eine längere Mangelperiode an, so muss der Baum seine eigenen Lebensprozesse zurückfahren, damit die Depots zum überwintern reichen. Laubbäume werfen zu diesem Zweck ihre Blätter ab, andere Pflanzen verfeuern alles, was sie haben, und gehen schließlich ein, darauf vertrauend, dass ihr Samen überwintern wird. Die Fähigkeit der Pflanzen, Sonnenenergie zu speichern, war auch die Voraussetzung für die Entstehung von Tieren, denn Tiere beziehen die Energie zum Leben aus Pflanzen. Da die Pflanzen nicht zu ihnen kommen, mussten sie die Fähigkeit entwickeln, fressbare Pflanzen zu suchen, das heißt, die Umwelt wahrzunehmen und sich in ihr zu bewegen. Außerdem brauchten sie die Fähigkeit, pflanzliche Stoffe derart umzuwandeln, dass die in ihnen steckende Energie für sie nutzbar wurde. Man könnte einwenden, dass es auch Tierarten gibt, die sich von anderen Tieren ernähren. Das ist richtig, ändert aber rein gar nichts am genannten Prinzip, denn am Ende der Nahrungskette stehen in jedem Fall Tiere, die Pflanzen fressen. Ohne Pflanzen keine Tiere.

Tiere haben im übrigen ein ähnliches Problem, wie wir es bereits von den Pflanzen kennen, sie können keinen gleichmäßigen Energienachschub von außen sichern. Hinzu kommt, dass Phasen erhöhten Energieverbrauchs, zum Beispiel die Jagd oder eine Flucht, nicht mit den Phasen der Energiezufuhr von außen, dem Fressen also, zusammenfallen. Um trotzdem für alle Eventualitäten gewappnet zu sein, brauchen auch Tiere Energiedepots. Dazu wird die Nahrung, die nicht sofort verfeuert wird, in körpereigene Stoffe mit hoher Energiedichte umgewandelt. Diese Stoffe können im Bedarfsfall verbrannt werden, so dass jederzeit genügend Energie zur Verfügung steht. Bei der Mobilisierung von Energiereserven werden jedoch nicht nur überschüssige Depots angegriffen, sondern in manchen Fällen auch ein Teil der eigentlich unverzichtbaren Substanz. Nicht zuletzt deswegen ist die Lebenserwartung von Spezies, die über wenig Substanz im Vergleich zur Höhe des Energieumsatzes verfügen, gering.

Ohne Sonnenlicht, ohne Pflanzen und ohne Verbrennungsprozesse gäbe es also keine Tiere, und damit auch keine Menschen. Verbrennungsprozesse sind die Grundlage unseres Lebens, auch wenn sie nicht immer durch hell lodernde Flammen sichtbar sind. Sie spielten aber auch als offenes Feuer eine besondere Rolle bei der Menschwerdung. Feuer diente unseren Vorfahren als Wärmequelle, als Waffe gegen allzu aufdringliche Raubtiere und vor allem als Werkzeug, um Nahrung zuzubereiten, die dadurch bekömmlicher und haltbarer wurde. Ohne die Beherrschung des Feuers, dieses Widerscheins des Sonnenlichts, wäre unsere Spezies wohl nicht zum modernen Menschen geworden.

Bild: mormo.de

zuletzt geändert: 29.05.2019

Schein und Sein

Maske

Manches ist in Wahrheit anders, als es scheint. Diese Erkenntnis ist nicht neu. Nur, woran liegt das? Liegt es an den Umständen der Beobachtung oder liegt es an den Menschen, die etwas falsch einschätzen und deshalb zu falschen Schlussfolgerungen gelangen. Falsche Einschätzungen wiederum hängen oft mit vorgefassten Erwartungen zusammen. Möglicherweise sind die Erwartungen falsch? Wir gehen mit Erwartungen, die aus unseren Erfahrungen erwachsen, an die Dinge, an die Umstände und an die Menschen heran. Das ist durchaus sinnvoll, denn so machen wir Erfahrungen für uns nutzbar. Manchmal ist es allerdings besser, Erfahrungen oder „gesichertes Wissen“ in Frage zu stellen. Das gilt vor allem dann, wenn die Resultate der aus ihnen erwachsenden Leitsätze und Normen per Saldo nicht weiterführen, in einer Sackgasse oder einem Irrgarten enden. Dann ist es gut, wenn man bereit und in der Lage ist, neu auf die Dinge zu schauen, seine Erwartungen zu öffnen. Manchmal entpuppt sich das vermeintliche Sein eben doch als trügerischer Schein.

Da der Schein trügen kann, bezeichnet man Umstände oder Dinge, deren Wesen sich nicht auf den ersten Blick erschließt, auch als „scheinbar“. Auf diese Weise mag auch der Begriff der „Scheinkräfte“ entstanden sein. Als Scheinkräfte bezeichnet man Phänomene, aus denen man auf das Wirken einer Kraft schließen könnte, eine Vorstellung, die jedoch anderem gesicherten Wissen widerspricht. Als Paradebeispiel einer Scheinkraft wird gern die Trägheit angeführt. Wenn ein Körper gleichmäßig, mithin „träge“, einer Bahn folgt, dann sagt uns unsere Erfahrung, dass Kräfte wirken, die diesen Körper in Bewegung und auf Kurs halten, denn er ist ständig Wirkungen ausgesetzt, die ihn bremsen oder wenigstens ablenken müssten. Ein perpetuum mobile ist auf Erden nicht möglich.

Bei der Bewertung dieser Erfahrung ist zu beachten, dass die irdischen Bedingungen einen Sonderfall darstellen. Außerhalb unseres Sonnensystems wirken weder die Gravitationskraft der Erde noch irgendwelche Reibungskräfte, so dass sich eine einmal initiierte Bewegung auch ohne weitere Krafteinwirkung gleichbleibend oder „träge“ fortsetzt. Im Gegenteil, eine Krafteinwirkung würde hier zur Änderung der Bewegung, deren Abbremsung, Beschleunigung oder Ablenkung, führen. Damit können aus einer gleichmäßigen geradlinigen Bewegung auch keine Wirkungen auf andere erwachsen, da diese mit der Abgabe von Energie, und deshalb mit einer Veränderung der Bewegung, verbunden wären.

Die Zentrifugalkraft wird ebenfalls häufig als Scheinkraft bezeichnet. Warum eigentlich? Im Gegensatz zur Trägheit ruft die Zentrifugalkraft zweifellos eine reale Wirkung hervor. Jede Wäscheschleuder macht sich diese Kraft zu nutze. Schauen wir uns das etwas genauer an. In rotierenden Systemen, das heißt in Strukturen, die sich um eine Achse herum bewegen, werden deren Bestandteile nach außen geschleudert. Diese nach außen gerichtete Wirkung wird als Zentrifugalkraft oder Fliehkraft bezeichnet. Die Stärke der Fliehkraft bekommt man zu spüren, wenn dieses Davonfliegen verhindert wird. Bei einer Wäscheschleuder verhindert die Trommel, dass sich die feuchte Wäsche in der Wohnung verteilt. Die Trommel lässt jedoch das Wasser entweichen. Es wird außerhalb der Trommel aufgefangen und abgeleitet. Auf diese Weise werden Wasser und Wäsche getrennt. Die Rotationsbewegung der Trommel erzeugt also eine nach außen weisende Kraft, die sich als Druck der Wäsche auf die Trommelwand äußert. Wirkungsursache ist die rotierende Bewegung der Trommel. Die von ihr erzeugte Kraft äußert sich als Druck der Wäsche auf deren Wand.

Eine andere Möglichkeit das Davonfliegen der rotierenden Teile zu verhindern, besteht darin, sie an den Rotationsmittelpunkt anzubinden. Im Alltag könnte man ein Seil oder eine Kette, wie bei einem Kettenkarussell, zur Hilfe nehmen. Durch die Kette werden die Sitze mit dem sich drehenden Mittelteil verbunden, so dass sie nicht davonfliegen können. Sie werden aber nach außen geschleudert und umrunden den sich drehenden Mittelteil auf einer äußeren Bahn, die maximal senkrecht zur Achse verläuft. In diesem Fall äußert sich die aus der Rotation resultierende nach außen weisende Kraft in der Zugwirkung, die der Sitz über die Kette auf die Verankerung im Mittelteil ausübt.

Für das Wirken von Zentrifugalkräften ließen sich viele Beispiele finden. Dass sie trotzdem „Scheinkräfte“ sein sollen, wird damit begründet, dass sie nur innerhalb des Systems, das heißt innerhalb der jeweiligen rotierenden Struktur, messbar sind. Von außen betrachtet, scheinen die rotierenden Körper einfach nur träge ihrer Bahn zu folgen. Das Vorhandensein einer Kraft lässt sich von außen nicht messen. Das ist wiederum nichts Besonderes, denn diese Feststellung trifft auf alle Messungen zu. Messungen sind immer nur innerhalb eines Bezugssystems möglich. Erinnert sei an das Beispiel des gleichmäßig dahinfahrenden Zuges und des am Bahndamm stehenden Beobachters. Der außen, das heißt außerhalb des Zuges, stehende Beobachter kann eine Bewegung innerhalb des Zuges überhaupt nur dann erkennen, wenn er in den Zug hineinschauen kann. Ist dies nicht gegeben, zum Beispiel weil die Rollos heruntergelassen sind, dann hat er keine Chance, eine Bewegung im Zug wahrzunehmen, geschweige denn diese zu messen. Wenn man die Bewegung von außen nicht messen kann, heißt das jedoch nicht, dass sie nicht existieren würde. Wenn der Beobachter am Bahndamm den mit seinem Tischtennisball spielenden Jungen im Zug nicht sehen kann, heißt das ja auch nicht, dass dieser spielende Junge nicht existent wäre. Er ist durchaus real und nicht etwa ein Junge, der nur scheinbar mit dem Tischtennisball spielt.

Wir können also getrost davon ausgehen, dass die Zentrifugalkraft eine reale Kraft ist, wie die Gravitationskraft auch. Die Gravitationskraft wirkt übrigens ebenfalls nur innerhalb der Struktur, die sie konstituiert. Nur innerhalb dieser Struktur, dieses Bezugssystems kann man ihre Stärke ermitteln. Von außen kann man nur über Umwegen auf ihr Wirken schließen. So lässt sich die Gravitationskraft von Planeten anderer Sonnensysteme von der Erde aus nicht bestimmen, da sie auf der Erde nicht als Wirkung registriert werden kann. Man kann jedoch Berechnungen auf der Basis der Wirkungen, die sie auf andere Planeten dieses Systems hat, anstellen und so zu einem Wert gelangen. Einstein hat deshalb die Gravitationskraft und die Zentrifugalkraft auf die gleiche Stufe gestellt und beide als Scheinkräfte angesehen. Das ist immerhin konsequent. Doch auf diese Weise verflüchtigen sich die realen Zusammenhänge in eine Scheinwelt. Da die Gravitationskraft und die Zentrifugalkraft reale Wirkungen zeitigen, sollten wir sie auch als reale Kräfte betrachten.

Die Ursache der Zentrifugalkraft ist in der Rotationsbewegung der Strukturen begründet, ihre Wirkungsrichtung weist nach außen. Sie will alles hinausschleudern. Wenn da nichts wäre, das dieses Hinausschleudern verhinderte, dann würde die Zentrifugalkraft die rotierende Struktur zerstören. Eine Zerstörung von Strukturen lässt freie Teile entstehen, die nun die Möglichkeit haben, neue Strukturen zu bilden. Insofern liegt im zerstörerischen Potential der Fliehkraft ein produktiver Keim. Gäbe es jedoch nur die Zentrifugalkraft, dann könnten keine Strukturen entstehen beziehungsweise dauerhaft existieren. Es ist eine weitere Kraft vonnöten, die die Bestandteile der Strukturen am Davonfliegen hindert, die der Zentrifugalkraft entgegenwirkt. Diese Kraft, die wie eine unsichtbare Kette die Trabanten festhält und auf eine Umlaufbahn zwingt, ist die Gravitation. Die Gravitationskraft weist nach innen. Sie hält die Struktur zusammen. Würde ihr nichts entgegenwirken, dann würde sie allerdings die Bestandteile der Struktur immer enger an den Mittelpunkt heranziehen. Die Räume würden sich verengen, bis keine Bewegung mehr möglich wäre. Das heißt, ohne eine Gegenwirkung würde die Gravitationskraft zur Erstarrung und damit ebenfalls zum Exitus der Strukturen führen.

Nur das gemeinsame Wirken von Gravitationskraft und Zentrifugalkraft gewährleistet sowohl den Zusammenhalt der Strukturen als auch die Bewegung in ihrem Inneren. Beide Kräfte müssen sich in einem relativen Gleichgewicht befinden, denn nur dieses gewährleistet den Fortbestand der Strukturen. Ist solch ein Gleichgewichtszustand hergestellt, dann mag es so scheinen, als ob keinerlei Kräfte wirkten und die Beteiligten nur träge ihrer Bahn folgen. Doch dieser Schein ist trügerisch, wie wir nun wissen.

zuletzt geändert: 30.06.2019

Mystik und Magie

Hexe

Unsere Zeit, unser Leben ist vollgepfropft mit Technik. Sie bringt uns immer schneller an jeden Ort dieser Welt. Sie hilft uns immer größere Mengen von mehr oder weniger nützlichen Dingen herzustellen oder Unmengen von Daten zu verwalten. Darüber hinaus ermöglicht sie Kommunikation über fast alle Grenzen hinweg. Und doch scheint unsere Zeit ebenso geprägt zu sein von einer Sehnsucht nach Zauberei, nach Fabelwesen, nach Geheimnisvollem und Unerklärlichem. Man braucht nur das Fernseh- oder Kinoprogramm, die Spielzeuggeschäfte oder Buchläden anzuschauen. Es wimmelt dort von Zauberern, Hexen, Drachen, Monstern, Feen, von außerirdischen oder vorgeschichtlichen Fabelwesen, von übersinnlichen Kräften und Helden mit unglaublichen Fähigkeiten. Woran mag das liegen?

Zum einen waren Mystik und Magie immer eine der möglichen Antworten auf die ungelösten Fragen, die die Menschen bewegten. Wenn man nicht weiß, woher Blitz und Donner kommen, dann ist es immerhin denkbar, dass da einer in den Wolken sitzt, der zornig über das Treiben der Menschen seiner Wut freien Lauf lässt. Man weiß längst, wie Blitz und Donner wirklich entstehen, trotzdem erfreuen sich viele Menschen an den Geschichten über Götter, ihre Heldentaten und Intrigen. Diese Geschichten werden heute eher als eine Art Märchen verstanden, die mit dem Geschehen in einer Fantasiewelt ein Stück Lebensweisheit transportieren. Die Fantasiewelt fasziniert, weil ihre Gestalten manchen Zwängen, die das Leben kennzeichnen, nicht unterliegen oder diese abstreifen können. Das reale Leben kennt dagegen viele Einschränkungen, es ist oft anstrengend und voller Gefahren. Die erträumte Freiheit in einer Fantasiewelt überwindet solche Begrenzungen, trennt meist sauber zwischen gut und böse und verhilft dem Helden zum Sieg. Das tut gut!

Aber was hat das Ganze mit unserem Thema zu tun? Nun, wir müssen noch eine brauchbare Erklärung dafür finden, was Kräfte eigentlich sind und wie sie entstehen. Wenn man als interessierter Laie liest, was die Physik dazu vorlegt, dann ist man per Saldo höchst erstaunt und wohl auch irritiert. Die Statements reichen von „wissen wir nicht“, zum Beispiel in Bezug auf die Gravitationskraft, über Erklärungen unter Hinzuziehung virtueller Teilchen, die für die Kernkräfte verantwortlich sein sollen, bis hin zur Postulierung von „Scheinkräften“. Wenn man das zusammenfasst, dann sind Kräfte also unerklärlich, sie resultieren aus unwirklichen Teilchen oder sie sind überhaupt nur scheinbar vorhanden. Mystik und Magie halt. Nun gibt es zwei Möglichkeiten. Man könnte sich zum Wirken von Göttern, zu Wundern der Natur oder dem magischen Treiben von Zauberern und Elfen bekennen oder man könnte versuchen, trotz aller Widernisse, doch noch eine halbwegs plausible Erklärung zu finden.

Bleiben wir bei dem, was wir schon herausgearbeitet haben, nämlich dass unsere Welt aus Strukturen und Bewegungen besteht. Kräfte können sich demnach nur auf Strukturen und Bewegungen beziehen. Als Strukturen werden hier Atome samt ihrer Bausteine sowie jedwede Art der von ihnen gebildeten Verbindungen bezeichnet. Das können einzelne Moleküle genauso sein wie komplexe Strukturen. Als komplexe Strukturen kann alles, was um uns herum existiert, aufgefasst werden. In dieser Betrachtung sind selbst die Erde, unser Sonnensystem, die Galaxis oder das Universum als Ganzes komplexe Strukturen. Allen Strukturen ist gemeinsam, dass sie eine äußere Form besitzen, durch die sie sich gleichzeitig unterscheiden. Außerdem sind alle Strukturen aus Teilen aufgebaut, die jeweils spezifische Bindungen zueinander eingehen. Die Teile der Strukturen wie auch die Strukturen als Ganzes sind in Bewegung, wodurch sie sich verändern und gleichzeitig mit anderen in Kontakt treten. Nicht zu vergessen, dass alle Strukturen in einem bestimmten Raum und für eine bestimmte Zeit existieren.

Nun zu den Bewegungen. Welche Arten von Bewegungen gibt es? Wenn man von allen Besonderheiten absieht, dann kann man drei Arten von Bewegungen unterscheiden – die Bewegungen innerhalb einer Struktur, die Bewegungen der Struktur um sich selbst und ihre Bewegung im Raum. Wenn sich eine Struktur auflöst, entweder, weil das innere Gleichgewicht abhanden kam, oder, weil äußere Einflüsse zerstörerisch wirkten, dann werden deren Bestandteile freigesetzt. Sie können sich nun samt ihrer Energie im Raum verbreiten. Die Eigenbewegung dieser Bestandteile, das heißt, ihre Bewegung um sich selbst wie auch ihre „innere“ Bewegung, bleiben jedoch erhalten. Treffen sie bei ihrer Ausbreitung im Raum auf eine andere Struktur, dann kann es sein, dass sie mit ihrer Energie in dieser aufgehen. Die Photonen, die auf die Erde treffen, werden dort größtenteils absorbiert. Ein Teil der auf diese Weise von der Erde aufgenommenen Energie geht durch Abstrahlung in den Weltraum wieder verloren. Der andere Teil wird mehr oder weniger dauerhaft in bestehende Strukturen, wie zum Beispiel Pflanzen, eingebaut. Viele Strukturen können zusätzliche Energie aber gar nicht brauchen, sie stört nur ihr inneres Gleichgewicht. Diese Strukturen wollen die überschüssige Energie wieder loswerden, um ihr eigenes „stabiles“ Dasein fortzusetzen. Nur, was geschieht, wenn die Energieabgabe unter den gegebenen Bedingungen nicht möglich ist?

Führt man einem Gas Energie zu, dann werden die Bewegungen der Gasmoleküle hektischer, das Gas dehnt sich aus. Befindet sich dieses Gas in einem Behälter, dann stoßen die Moleküle an die Behälterwand, je mehr Energie zugeführt wird umso heftiger. Sie wollen raus oder wenigstens ihre Energie an den Behälter abgeben. Beides gelingt nicht. Druck entsteht, der irgendwann den Behälter sprengen wird. Druck ist hier also eine Kraft, die aus der Bewegung der Gasmoleküle resultiert. Nehmen wir ein anderes Beispiel. Ich drücke einen Bleistift mit der stumpfen Seite auf einen Radiergummi. Und nun? Ich habe dem Bleistift durch mein Drücken einen Bewegungsimpuls gegeben. Wenn da kein Hindernis wäre, würde dieser Impuls zu einer Bewegung des Radiergummis führen. Da ist aber ein Hindernis – die Tischplatte. Mein Impuls reicht nicht aus, um den Radiergummi und dann auch noch die Tischplatte in Bewegung zu setzen, zumal diese nicht im Raum schwebt, sondern mit vier Beinen auf der Erde steht. Der Radiergummi kann die Energie, die ich ihm zuführe, also weder in Bewegung umsetzen noch an andere weitergeben. Er verformt sich. Das heißt, die Kraft, die zur Verformung des Radiergummis führt, ist auch hier Resultat einer Bewegung, nämlich des Bewegungsimpulses, den ich dem Bleistift gegeben habe.

Druck entsteht aber nicht nur aus Bewegung, auch Masse kann Druck ausüben. Wenn ich mich in mein Bett lege, dann sinke ich in die Matratze. Meistens springe ich nicht ins Bett und übe deshalb Druck aus, ich lege mich einfach langsam und müde hin. Es ist mein Gewicht, das Druck auf die Matratze ausübt und sie verformt. Mein Gewicht ist nicht ursächlich dem guten Essen geschuldet, wie man meinen könnte, sondern der Gravitation der Erde. Die Gravitationskraft verleiht den Dingen Gewicht. Druck kann also das Ergebnis von Bewegungsimpulsen sein oder er kann durch das Wirken der Gravitationskraft entstehen. Genau genommen ist auch das Gewicht eine durch die Gravitationskraft hervorgerufene, jedoch nicht realisierbare Bewegung. Die Gravitationskraft beschleunigt eine Masse, sie gibt ihr einen Bewegungsimpuls hin zur Mitte des Planeten. In dem Moment, wo die so initierte, respektive beschleunigte Bewegung auf ein Hindernis trifft, in dem Moment übt diese Masse einen Druck auf das Hindernis aus. Diesen Druck bezeichnet man als Gewicht. Unter dem Strich ist also die „Kraft“, die einen Druck erzeugt, immer eine unter den gegebenen Bedingungen nicht realisierbare Bewegung.

Es könnte sinnvoll sein, auch andere Kräfte unter diesem Aspekt zu betrachten. Da wäre zum Beispiel die Reibungskraft. Hinsichtlich der Reibung werden zwei Arten unterschieden – die Haftreibung und die Gleitreibung. Die Haftreibung beschreibt den Umstand, dass ein Tisch dort stehen bleibt, wo man ihn hinstellt. Er rutscht nicht etwa weg oder kullert durch den Raum. Ursache für seine Haftung ist sein Gewicht, das einen Druck auf den Untergrund ausübt und damit dessen Struktur in bestimmten Maße verformt. Auf diese Weise wird das Wegrutschen verhindert. Allerdings hatten wir bereits festgestellt, dass das Gewicht keine eigenständige Kraft ist, sondern dass dessen Wirkung aus einer unterdrückten Bewegung resultiert. Bei der Gleitreibung ist als erstes ebenfalls das Gewicht zu nennen, das den Tisch in den Untergrund drückt. Außerdem wirkt noch eine Kraft, die den Tisch auf diesem Untergrund verschieben will. Sie sollte, muss aber nicht, parallel zum Untergrund gerichtet sein. Natürlich handelt es sich auch hier nicht wirklich um eine Kraft, sondern um einen Bewegungsimpuls, den man dem Tisch zuführt. Der Tisch kann diesen Bewegungsimpuls jedoch nicht vollständig in eine horizontale Bewegung umsetzen, denn er „haftet“ ja am Untergrund. Um diese Haftung zu überwinden, muss er auf seinem Weg ständig Strukturen verändern. Teile der Energie fließen auf diese Weise in die Strukturen, die an der Kontaktfläche des Tisches zum Untergrund liegen. Diese Strukturen wollen die ihnen zufließende Energie wieder abgeben, was zum Beispiel in Form von Wärme geschieht. Demnach sind Reibungskräfte keine eigenständige Wirkungsursache. Sie resultieren, ebenso wie der Druck, aus der Energie von Bewegungen.

Wie ist das mit der Federkraft? Wenn man eine Spiralfeder auseinanderzieht, dann hat sie das Bestreben in ihre ursprüngliche Form zurückzuschnellen. Die Schaummatratze macht im übrigen nichts anderes, nur viel langsamer. Auch andere Stoffe respektive Strukturen haben das Bestreben, in ihre ursprüngliche, stabile Form zurückzukehren. Wieviel Energie eine Struktur aufnehmen kann, indem sie sich verformt, ohne völlig zerstört zu werden, hängt von der Spezifik des jeweiligen Materials ab. Was hat dies aber mit der Federkraft zu tun? Noch einmal, ich ziehe an einer Spiralfeder. Damit gebe ich der Feder einen Bewegungsimpuls, hier nicht als Stoß sondern als Zug. Die Spiralfeder muss diese Energie aufnehmen, da sie am Ort verankert ist und sich nicht mitziehen lassen kann. Die Energie verformt die Feder, sie wird länger. Das Bestreben der Feder ist es, diese für sie unnötige Energie wieder loszuwerden, um in die alte, stabile Form zurückzukehren zu können. Wenn man nicht mehr an der Feder zieht und sie loslässt, dann springt sie in ihr altes Dasein zurück. In diesem Prozess gibt sie die überschüssige Energie ab. Nach dem gleichen Prinzip funktioniert auch ein Stoßdämpfer, allerdings mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung. Es wird Energie, die durch den Stoß auf das Material wirkt, in die Struktur aufgenommen, was zu deren Verformung führt. Diese Energie wird bei nächster Gelegenheit, das heißt dann, wenn kein Druck mehr auf die Struktur wirkt, wieder abgegeben, so dass der Stoßdämpfer in seine alte Form zurückkehren kann. Wieder ist ein Bewegungsimpuls die Wirkungsursache. Letztlich kann man alle Alltagskräfte auf externe Energieimpulse oder das Wirken der Gravitation zurückführen. Ach ja, die Gravitation, die unerklärliche, sie ist wohl tatsächlich eine Kraft.

zuletzt geändert: 22.06.2019

Sonntags im Zoo

Nun sage jemand, Physiker hätten keinen Humor. Ich nehme jedenfalls an, dass das Wort vom Teilchenzoo durch einen Physiker geprägt wurde. Wie dem auch sei, einmal in die Welt gesetzt, hat es sich fröhlich verbreitet. Wahrscheinlich auch deshalb, weil es dem interessierten Laien und geneigten Zuhörer einer Sonntagsvorlesung eine ungefähre Vorstellung davon gibt, was es mit der Teilchenvielfalt auf sich hat. Eigentlich wollten die Physiker die Grundbausteine der Welt finden, herausgekommen ist jedoch diese kaum überschaubare Vielfalt anTeilchen. Wie konnte das passieren?

Angefangen hat alles mit dem Standardmodell der Teilchenphysik, das uns die Welt der kleinsten Bausteine erklären will. Ursprünglich handelte es sich um eine eng begrenzte Zahl solcher Teilchen. Es gab Protonen und Neutronen, die den Atomkern bilden, und Elektronen, die diesen umkreisen. Fertig war´s. Irgendwann stellte sich heraus, dass Neutronen mitunter zerfallen, und zwar in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Neutrino. Es hat den Anschein, als wären Neutronen aus der Vereinigung eines Protons mit einem Elektron entstanden, um einen neutralen Mikrokosmos zu bilden. Allein gebliebene Protonen sind hingegen auf „fremde“ Elektronen angewiesen, die sie in ihren Bann ziehen müssen, um einen energetischen Gegenpol zu erhalten. Wenn wir in Betracht ziehen, dass das Neutron zerfallen kann, dann haben wir wieder drei Grundbausteine, aus denen alle Atome aufgebaut sind: Protonen, Elektronen und Anti-Neutrinos. Eine Eigenschaft der Teilchen besteht darin, dass sie eine elektrische Ladung tragen. Den Elektronen ordnet man die elektrische Ladung von minus eins zu, den Protonen von plus eins. Die elektrische Ladung der Neutrinos wird mit null angegeben. Eine weitere Eigenschaft der Elementarteilchen ist ihr Spin. Der Spin bezeichnet die Bewegung der Teilchen um sich selbst. Er wird sowohl für Protonen als auch für Elektronen und Neutrinos mit 1/2 angegeben. Damit haben wir die Grundbausteine und die Strukturprinzipien eines Atoms beisammen. Aber wo ist deren Masse?

Die Masse des Atoms muss im Kern, das heißt in den Protonen und Neutronen stecken. Sie sind die Kolosse unter den Elementarteilchen. Es entsteht allerdings die Frage, ob diese Kolosse nicht ihrerseits strukturiert, das heißt aus kleineren Teilchen aufgebaut sind. Tatsächliche hat man kleinere Bestandteile gefunden, die als Quarks bezeichnet werden. Ein Proton beziehungsweise ein Neutron ist aus jeweils drei dieser Quarks aufgebaut, wobei man die Quarks in zwei Arten differenziert, die sich in ihrem Spin unterscheiden. Das eine spinnt langsam und nach unten, das andere schneller und nach oben. Damit hätten wir jetzt vier Grundbausteine, aus denen alle Atome aufgebaut sind: Elektron, Anti-Neutrino, up-Quark und down-Quark. Und da alle diese Teilchen einmal linksdrehend und einmal rechtsdrehend auftreten können, Physiker nennen das Materie und Antimaterie, verdoppelt sich die Anzahl der Grundbausteine auf acht. Richtiger sollte man sagen, es sind vier Teilchen in jeweils zwei alternierenden Ausprägungen. Nur, wie entsteht der Teilchenzoo?

Eine Möglichkeit wäre, dass Teilchen, die selbst eine innere Struktur besitzen, in ihre Bestadteile zerfallen. Manche, wie die Neutronen, tun das freiwillig, bei anderen muss man ein wenig nachhelfen. Außerdem könnte man Schöpfer spielen und Teilchen miteinander kombinieren, die sonst vielleicht nie zueinander gefunden hätten. Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, den Teilchen Energie zuzuführen oder auch zu entziehen und sie auf diese Weise zu modifizieren. Jedenfalls konnten auf die eine oder andere Weise bereits rund 300 Arten dem Teilchenzoo hinzugefügt werden. Viele dieser Teilchen entstehen nur bei extremen Bedingungen und das für äußerst kurze Zeit, so dass ihre praktische Relevanz wohl begrenzt bleiben wird. Böse Zungen bezeichnen den Teilchenzoo gar als Ansammlung von Mutanten und Chimären.

Bleiben wir lieber noch ein wenig bei den Grundbausteinen, aus denen alle Atome aufgebaut sind. Obwohl alle Atome die gleichen Grundbausteine besitzen, sind sie nämlich nicht alle gleich. Auf der Erde kennen wir immerhin 94 natürliche Elemente, das heißt 94 verschiedene Arten von in der Natur vorkommenden Atomen. Man könnte zirka 20 Elemente hinzuzählen, die auf künstlichem Wege erzeugt wurden. Die Elemente unterscheiden sich in erster Linie durch die Anzahl ihrer Protonen, wobei eine gleiche Anzahl von Neutronen und Elektronen das jeweilige Atom vervollständigen. Das ist jedenfalls das Grundprinzip, von dem jedoch Abweichungen möglich sind. So kann zum Beispiel die Zahl der Neutronen variieren, was zu geringfügigen Unterschieden in den Eigenschaften der daraus resultierenden Isotope führt. Offensichtlich sind es aber die Protonen und die Elektronen, die die Eigenschaften der Atome maßgeblich bestimmen. Jedes Proton braucht ein Elektron als energetischen Gegenpart, damit eine stabile Struktur entstehen kann. Die Elektronen ziehen ihre Bahnen in Bewegungsräumen, die wie Schalen um den Kern gelegt sind. In jedem Bewegungsraum findet nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen Platz. Die jeweils äußeren Elektronen sind, da sie sich am weitesten von der kontrollierenden Kraft des Kerns befinden, für äußere Einflüsse anfällig. Sie lassen sich schon mal auf ein Techtelmechtel mit anderen Stoffen ein. Dabei können Elektronen abgegeben werden oder dazukommen, manchmal werden sie auch von mehreren Atomen gemeinschaftlich genutzt. Die Elektronen bestimmen auf diese Weise die Außenbeziehungen des Atoms.

Aber zurück zum Kern, der, wie wir wissen, aus Protonen und Neutronen besteht und diese wiederum aus Quarks. Die Quarks haben selbst keine Bestandteile oder Strukturelemente, das heißt, sie sind strukturlos, gewissermaßen Energie pur. Trotzdem zeigen sie mitunter Eigenschaften von Teilchen. Wie geht das zusammen? Wir wissen bereits, dass sie in up- und down-Quarks unterschieden werden. Darüber hinaus haben sie einen unterschiedlichen Spin, das heißt eine unterschiedliche Drehzahl in der Bewegung um sich selbst. Hinzu kommt ihre unterschiedliche Drehrichtung. Wie kommen all diese Unterschiede zustande, wenn es sich doch um strukturlose Energie handeln soll, die ja nicht über einen eigenen Korpus verfügt? Was dreht sich da eigentlich? Ein Grundsatz der Dialektik ist, dass Inhalt und Form eine widersprüchliche Einheit bilden. Verkürzt könnte man sagen, es gibt keine Form ohne Inhalt, gleichzeitig existiert kein Inhalt ohne Form. Auf unsere Fragestellung bezogen heißt das, die Quarks, die selbst keine Bestandteile haben, quasi reine Energie darstellen, brauchen ebenfalls eine wie auch immer geartete Form ihrer Existenz. Da diese Form weder eine äußere Hülle noch eine innnere Struktur haben kann, muss sie in ihrer Energie, in der Spezifik ihrer inneren Bewegungen zu suchen sein. Naheliegend ist, dass diese Bewegungen einer wie auch immer gearteten Endlosschleife ähneln. Hier sind einige mathematische Modelle, um diese Überlegung etwas anschaulicher werden zu lassen.

Modell 1modell 3

Modell 4

Durch die Art und Weise dieser Bewegung erhält die Energie eine Form, die wiederum eine äußere Bewegung, einen Spin, ermöglicht. Damit wäre gleichzeitig ein Erklärungsansatz für die ansonsten nur schwer fassbare Zwitterstellung dieser „Teilchen“ gegeben. Sie sind einerseits Portionen oder Quanten purer Energie, die andererseits Eigenschaften von Partikeln offenbaren. Um die beiden gegensätzlichen Seiten dieser „Teilchen“ deutlich zu machen, werden sie im weiteren als Energiepartikel bezeichnet. Zu diesen Energiepartikeln zählen zum Beispiel auch Elektronen, Neutrinos und Photonen.

Eine weitere Grundeinsicht der Dialektik besagt, dass sich nichts nur aus sich selbst erklären lässt, immer ist das Gegenteil in die Erklärung einzubeziehen. In Bezug auf die Bewegungen hatten wir bereits gesehen, dass sich jede Bewegung einerseits in einer bestimmten Zeitspanne vollzieht und dass sie sich andererseits aus Zeitpunkten von Bewegungslosigkeit zusammensetzt. Hinsichtlich der Strukturen stellen wir nun fest, dass sie einerseits eine räumliche Ausdehnung besitzen, dass sie andererseits jedoch aus Partikeln bestehen, die Raum nur punktuell und dann auch nur flüchtig besetzen können.

Bild: spektrum.de

 zuletzt geändert: 03.06.2019

Ein Wasserkocher und seine Folgen

Wärme ist Ausdruck von Energie, Licht ebenfalls. Wärme nimmt man über die Haut wahr, Licht über die Augen. Man kann Wärme mit Hilfe einer speziellen Kamera auch für die Augen sichtbar machen. Um die Wärme des Lichts auf der Haut zu spüren, braucht man nur sein Gesicht in die Sonne zu halten. Mit anderen Worten, bereits die Sinnesorgane bezeugen die Ähnlichkeit von Wärme und Licht. Allerdings braucht man für das „Sehen“ von Wärme ein Hilfsmittel. Außerdem gibt es „kaltes“ Licht, das die Haut nicht erwärmt. Das heißt, Wärme und Licht sind nicht identisch. Sie müssen also etwas Gemeinsames haben und etwas, in dem sie sich unterscheiden.

Ferdinand meinte, ich sollte jetzt Kaffee kochen. Dafür braucht man heißes Wasser beziehungsweise einen Wasserkocher. So ein Wasserkocher wird mit Strom betrieben. Strom, das sind Elektronen, die in die Heizplatte fließen und dort zur Erwärmung führen. Die Heizplatte wiederum erwärmt das Wasser, was nichts anderes heißt, als dass die Wassermoleküle ihre Bewegung intensivieren. Sie werden derart stark angeregt, dass sich Moleküle aus dem Verbund des Wassers lösen und in einen gasförmigen Zustand wechseln. Da sich die Heizplatte am Boden des Wasserkochers befindet, entsteht dort, das heißt am Boden des Wasserkochers, das Gas, der Wasserdampf. Er ist leichter als das Wasser und steigt nach oben. Dabei stoßen die Moleküle des Wasserdampfs die Wassermoleküle an. Das Wasser beginnt zu wackeln. Ein wenig noch, und schon kocht es. Ich kann den Kaffee aufgießen und mich wieder in aller Ruhe den Phänomenen von Wärme und Licht zuwenden. Beide sind Ausdruck von Energie, das heißt von Bewegung. Die Unterscheidung, ob man Energie als Wärme oder als Licht wahrnimmt, muss also irgendwie mit der Spezifik ihrer Bewegung zusammenhängen.

Ferdinand ließ mir aber keine Ruhe, denn narürlich entsprang seine Anregung zum Kaffeekochen nicht reiner Sorge um mein Wohlbefinden. Er wollte, dass ich darüber nachdachte, was beim Erhitzen des Wassers tatsächlich geschieht. Die Elektronen, die durch den elektrischen Strom zum Metall der Heizplatte gelangten, führten dazu, dass sich diese erhitzte. Ist das wirklich so? Wandern tatsächlich massenhaft Elektronen vom Stromkabel in die Heizplatte? Das würde ja bedeuten, dass sowohl die Strukturen im Stromkabel wie auch die in der Heizplatte ständig Elektronen aus ihrem Verbund entlassen und neue Elektronen einbauen müssten. Dieser ständige Wechsel könnte sich zu einem ziemlich instabilen Gerangel auswachsen, was ja niemand will, auch die Atome und Moleküle nicht. Daher wird es wohl eher so sein, dass den Elektronen mit dem, was wir als Strom bezeichnen, Energie, das heißt Bewegung, von außen zugeführt wird, die sie aber nicht brauchen können. Sie haben deshalb nichts Besseres im Sinn, als die empfangene Energie so schnell wie möglich weiterzugeben. Vereinfacht könnte man vielleicht sagen, ein Elektron schubst das nächste an und diese Bewegung pflanzt sich fort.

Sich massenhaft fortpflanzende Bewegungen nehmen häufig eine Wellenform an, was man im Wasser oder in der Luft sehr gut beobachten kann. Deren Bestandteile bewegen sich in Schwingungen, die sich zu Wellen vereinen. Wenn sich Elektronen in ähnlicher Weise ausbreiten, würde eine elektromagnetische Welle entstehen, so die Überlegung. Das Ganze hat jedoch einen Haken. Würden sich die Elektronen in Form von Schwingungen bewegen, müssten sie mit den Schwingungen zusätzliche Wege zurücklegen, die bei der Bestimmung ihrer Geschwindigkeit zu berücksichtigen wären. Analoges gilt für Photonen. Das heißt, wenn sich Elektronen oder Photonen mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten, dann wäre bei der Bestimmung ihrer Gesamtbewegung auch der Weg, den die Schwingungen beschreiben, zu berücksichtigen. Er wäre damit deutlich länger als der Weg, der mit der reinen Ausbreitung im Raum absolviert wird. Das würde jedoch bedeuten, dass die Gesamtgeschwindigkeit des Photons höher sein müsste als die Lichtgeschwindigkeit, die ja nur die Ausbreitung im Raum erfasst. Eine höhere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit gilt jedoch als ausgeschlossen. Nun haben wir ein Problem. Vielleicht ließe es sich lösen, wenn wir die Bewegung des Lichts als zusammengesetzte Bewegung, das heißt als zwei von einander unabhängige Bewegungen betrachteten. Da es sich aber bei der Ausbreitung und der Schwingung des Photons um Bewegungen ein und desselben Teilchens handelt, kann dieser Ansatz nicht greifen.

Will man bei der These von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts als höchste mögliche Geschwindigkeit bleiben, muss man also eine andere Erklärung finden. Wir wissen, dass die Bewegungen von Elektronen und Photonen eine Frequenz besitzen, also zyklisch sind. Außer durch Schwingungen kann dieses Kriterium auch durch Drehungen um sich selbst, durch einen Spin, erfüllt werden. Die Drehbewegung hätte den Charme, dass mit ihr kein zusätzlicher Weg zurückgelegt wird. Wird dem Elektron von außen Energie zugeführt, dann wird es beschleunigt, das heißt, die Frequenz seines Spins erhöht sich. Da das Elektron Bestandteil einer Struktur ist, eines Atoms zum Beispiel, würde diese zusätzliche Energie nur stören, vielleicht sogar die Stabilität des Atoms oder Moleküls in Frage stellen. Deshalb versucht das Elektron, die überschüssige Energie schnell weiterzugeben. Diese Weitergabe ist jedoch davon abhängig, dass es genügend andere frei bewegliche Elektronen gibt, die die Bewegungen aufnehmen können. Was passiert, wenn solche Elektronen nicht vorhanden sind? Nicht viel. Legt man zum Beispiel einen elektrischen Strom an eine Keramikmanschette, dann sind praktisch keine frei beweglichen Elektronen, die die Drehbewegung in ausreichender Dichte weitergeben könnten, verfügbar. Nichts passiert, kein Strom nirgends. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass das Material, welches die Energie aufnimmt, diese nicht in der gleichen Geschwindigkeit abgeben kann, wie es sie aufnehmen muss. Man könnte dies als Widerstand gegen die Weiterleitung der Energie bezeichnen. In dem aufnehmenden Material verbleibt auf diese Weise ein Energieüberschuss, der in Form von Photonen beziehungsweise als Wärme den Weg nach außen sucht. Auf diese Weise bringt auch die Heizplatte des Wasserkochers das Wasser zum Sieden.

An dieser Stelle müssen wir auf den Unterschied von Licht und Wärme zurückkommen. Beide beruhen auf der Wahrnehmung von Photonen, einmal über die Augen und das andere mal über die Haut. Beide Sinnesorgane können nur Photonen mit bestimmten Frequenzen registrieren. In den Frequenzbereichen, die sie wahrnehmen, gibt es Überschneidungen und Bereiche, die nur einem von beiden vorbehalten sind. Licht, das wir sehen, kann zum Beispiel gleichzeitig wärmen, muss es aber nicht. Es gibt auch „kaltes“ Licht, das kein Wärmegefühl verursacht, das die Wärmesensoren unserer Haut nicht anspringen lässt. Eine Wärmebildkamera wiederum wandelt die Wärmestrahlung, die unsere Augen nicht registrieren können, in sichtbares Licht um. Die strahlenden Objekte können damit aus der Distanz wahrgenommen werden, wozu unsere Haut nur sehr begrenzt in der Lage ist. Damit unsere Haut überhaupt Unterschiede in der Wärme von Objekten aus der Distanz wahrnehmen kann, muss deren Energie schon in großer Intensität bei ihr ankommen. Einen gut geheizten Kachelofen können wir immerhin aus einiger Entfernung spüren.

Was geschieht eigentlich, wenn wir einen Raum beheizen? Nehmen wir als Beispiel eine mit warmem Wasser betriebene Heizungsanlage. Das Wasser wird mit einem Brenner erwärmt. Die Elektronen der Wassermoleküle nehmen die Energie auf und verstärken ihre Bewegungen. Nun wird das Wasser durch die Heizungsanlage gepumpt und erhält die Chance, überschüssige Energie an die Heizungsrohre und Heizkörper abzugeben. Auch die Heizkörper wollen die Energie wieder loswerden und geben sie an die Luft ab. Nur leider, die Luft ist träge. Ehe sie die Energie im Raum verbreitet, können Stunden vergehen. Und dann steigt die warme Luft auch noch nach oben, wo wir uns doch höchst selten aufhalten. Hauptsache die Fliegen an der Decke haben es schön warm. Wieso wärmt aber die Sonne selbst bei frostigen Temperaturen mein Gesicht, während die Heizung Stunden braucht, ehe die Wärme bei mir ankommt? Auch ein Kachelofen wärmt mich, so dass ich den Pullover ausziehen kann, obwohl das Thermometer, das etwas abgeschirmt neben mir liegt, schlappe 15° C anzeigt.

Nehmen wir noch einmal den Wasserkocher zur Hilfe. Beim Wasserkocher hatten wir gesehen, wie die Heizplatte die aufgenommene Energie so schnell wie möglich wieder abgeben wollte. Das Wasser war ihr Opfer, das zum Kochen gebracht wurde. Wie ist das mit der Wärme der Sonne? Bei der Sonnenstrahlung, die ihren Weg durch das Weltall findet, sind Stoffe, über die die Energie weitergeleitet werden könnte, nicht vorhanden. Auch die Strahlungswärme des Ofens nimmt ihren Weg offenbar nicht über die Luft, denn seine Strahlung wirkt beinahe unabhängig von deren Temperatur. Da haben wir es. Es muss einen Unterschied zwischen der Wärmestrahlung und der Weiterleitung von Wärme über andere Stoffe geben. Bei der Strahlung wird die Energie offensichtlich nicht über unzählige Stationen weitergeleitet, die Energie wird vielmehr auf direktem Wege an einen zufällig den Weg kreuzenden Empfänger abgegeben. Im Weltraum ist die Gefahr solcher Zusammenstöße relativ gering, weshalb große Mengen von Photonen die Erde erreichen. Die Menge ist jedenfalls groß genug, dass trotz der Absorption durch die Atmosphäre genügend von ihnen meine Haut erwärmen. Nicht alle Dinge, die mit Photonen beglückt werden, können deren zusätzliche Energie brauchen. Sie wollen diese möglichst schnell wieder loswerden. Weiße Pigmente, zum Beispiel, reflektieren Licht besonders intensiv, das heißt, sie geben die aufgenommene Energie sofort wieder ab, indem sie selbst Photonen emittieren. Andere Stoffe sind nicht so zimperlich und nehmen die ankommend Strahlungsenergie vollständig in sich auf. Wir nehmen sie als schwarz wahr. Wieder andere gehen selektiv vor. Sie absorbieren beziehungsweise reflektieren Energie jeweils in ausgewählten Frequenzbereichen. Diese Unterschiede der Stoffe im Umgang mit ankommender Lichtenergie offenbart sich uns in einer Vielfalt von Farben.

Die Sonne setzt sehr viel Energie frei, die sie in Form von Photonen durch das All schickt. Aber nicht nur die Sonne spendet Energie. Auch die Erde mit allem, was darauf ist, strahlt Energie in den Weltraum ab. In kalten und klaren Nächten merkt man dies besonders, wobei man auch feststellt, dass nicht alle Stoffe in gleicher Weise Energie abgeben. Stoffe, die sich nur langsam erwärmen, halten die Wärme auch längere Zeit. So kühlen Gegenstände aus Metall oder Glas stärker aus als die Luft oder der Erdboden. Autofahrer wissen, dass in solchen Nächten Feuchtigkeit am Auto kondensiert und manchmal sogar gefriert, obwohl auf dem Boden kein Eis zu sehen ist. Ist der Himmel bedeckt, wirken die Wolken als Isolierschicht, die die schnelle Auskühlung der Erde und der Autos darauf verhindert. Warum strahlt die Erde überhaupt Wärme ab? Die Ursache dafür ist wohl in dem allgemeinen Bestreben der Stoffe nach Ausgleich der Energieniveaus zu suchen.Dieses Bestreben zielt eine Erhöhung der Stabilität der Strukturen. Da das Energieniveau der Erde im Vergleich zum „kalten“ Weltraum hoch ist, strahlt sie Energie ab. Wir Erdenbewohner sind jedoch durch mindestens zwei Faktoren begünstigt. Erstens haben wir mit der Sonne einen freigiebigen und nahezu unerschöpflichen Energiespender in unserer Nähe und zweitens reguliert die Atmosphäre der Erde den Energieaustausch, so dass uns die Sonne am Tage nicht verbrennt und die Nacht uns nicht erfrieren lässt. Dieser energetische Vorteil war es, der die Entstehung von Leben ermöglichte. Wird die Isolierschicht jedoch verdichtet, sei es durch Vulkanasche oder durch Abgase, dann kann es ungemütlich werden. Vulkanasche absorbiert die Photonen der Sonne und es wird kalt, Abgase behindern das Abstrahlen von Energie, so dass der Erde warm wird.

Bild: meinpaket.de

zuletzt geändert: 02.06.2019

Gay-Lussac, eine Schildkröte und das Ende der Zeit

Joseph Luis Gay-Lussac hatte 1802 festgestellt, dass sich Gase bei Energiezufuhr ausdehnen, und zwar bei gleichbleibenden Druck proportional zur Steigerung der Temperatur. Das daraus formulierte physikalische Gesetz wurde nach ihm benannt. Dieses Gesetz würde hier kaum Erwähnung finden, wenn neben der Ausdehnung der Gase nicht noch etwas anderes zu bedenken wäre. Will man ein Gas erhitzen, so muss man ihm Energie zuführen. Diese Energie regt die Gasatome oder Gasmoleküle an, deren Bewegungen nun heftiger werden. Das Gas dehnt sich aus, denn es braucht mehr Raum für seinen Bewegungsdrang. Gleichzeitig schafft sich das Gas diesen Raum, in dem es mit seiner gewachsenen Energie die Kräfte der Anziehung überwindet und sich ausdehnt.

Bewegung schafft Raum. Diese Beobachtung gilt nicht nur für Gase, auch feste und flüssige Stoffe dehnen sich bei Zuführung von Energie aus. Der Grad der möglichen Ausdehnung ist dabei je nach Material unterschiedlich. Er hängt von der Art der Verbindungen zwischen den Atomen oder Molekülen ab. Kristallstrukturen sind weniger flexibel als Metalle oder Flüssigkeiten, deren Bestandteile leicht verschiebbar sind. Die Feststellung „Bewegung schafft Raum“ gilt aber nicht nur für Atome und Moleküle, sie gilt genauso für das Universum als Ganzes. Man weiß, dass sich das Universum permanent ausdehnt. Offensichtlich bildete sich nach dem Urknall kein Massemittelpunkt, so dass sich seine Bestandteile beinahe ungehindert in alle Richtungen ausbreiten können. Im Prozess des Auseinandertreibens vergrößert sich der Bewegungsraum des Universums, es schafft sich Raum.

Man könnte einwenden, dass der Raum, der durch die nun stärkere Bewegung besetzt wird, auch schon vorher existierte. Das stimmt, und auch wieder nicht. Nehmen wir noch einmal unser umtriebiges Gas zur Hilfe. Erhitzt man das Gas innerhalb eines abgeschlossenen Behälters, dann kann es sich ausdehnen und den ganzen Raum im Behälter besetzen, während es vorher nur am Boden herumgelungert hatte und auch nur dort mit anderen Stoffen reagieren konnte. Den Raum, den es sich innerhalb des Behälters neu erschließen kann, der war als Raum des Behälters natürlich bereits vorhanden. Das heißt, das sich ausdehnende Gas besetzt einerseits einen in der übergeordneten Struktur, dem Behälter, bereits vorhandenen Raum, andererseits ist dieser Raum für das Gas neu, denn es war vorher dort nicht präsent. Wie ist das mit dem Universum? War der Raum, den das Universum durch seine Ausdehnung neu besetzt vorher vorhanden? Für das Universums war er nicht vorhanden, denn es gilt das Gleiche wie für das Gas, nur der eigene Bewegungsraum zählt. Ob es eine dem Universum übergeordnete Struktur gibt, wissen wir nicht. Es spielt für uns auch keine Rolle, da wir von Ereignissen außerhalb unseres Universums nicht tangiert würden. Selbst ein Ereignis am Rand unseres Universums wäre für uns ohne Belang, da die Erde beim Eintreffen einer entsprechenden Nachricht respektive Wirkung längst nicht mehr existieren würde.

Da Ferdinand immer wieder den dialektischen Ansatz beachtet wissen wollte, müssen wir auch nach der Umkehrung der These „Bewegung schafft Raum“ fragen. Die Umkehrung der These wäre die Aussage „Wo keine Bewegung ist, da ist kein Raum“. Woran kann man diese Aussage festmachen? Das ist schwierig, weil es in der Natur bekannterweise nichts gibt, das ohne Bewegung ist. Der absolute Nullpunkt wird eben deshalb nicht erreicht, weil etwas völlig Bewegungsloses nicht existieren kann. Hinzu kommt, dass ein Stoff, der bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde, noch immer Bestandteil einer übergeordneten Struktur, der Erde zum Beispiel, und ihrer Bewegungen ist. Aber wie kommen wir nun mit unserer These weiter? Wenn man nicht weiter weiß, dann besteht immer die Möglichkeit, bei den alten Griechen nach Anregungen zu suchen. Sie haben vieles schon einmal diskutiert, was uns noch heute beschäftigt. Jetzt kommt die Schildkröte ins Spiel. Zenon war folgende scheinbar paradoxe Überlegung aufgefallen: Achill bestreitet einen Wettlauf mit einer Schildkröte. Die Schildkröte erhält einhundert Meter Vorsprung. Beide laufen gleichzeitig los. Wenn Achill an dem Punkt ankommt, von dem die Schildkröte gestartet ist, also nach einhundert Metern, dann hat die Schildkröte in der gleichen Zeit sagen wir zehn Meter zurückgelegt. Eine Schnellläufer-Schildkröte halt. Beide laufen natürlich weiter. Wenn Achill die zehn Meter zurückgelegt hat, ist die Schildkröte wieder einen Meter davongezogen und so weiter. Das heißt, immer wenn Achill an dem Punkt ankommt, von dem die Schildkröte losgelaufen ist, dann ist diese ein kleines, ein immer kleiner werdendes Stückchen voraus. Dies kann man bis zur Unendlichkeit fortsetzen. So gesehen, könnte Achill die Schildkröte nicht überholen. Er überholt sie trotzdem. Wieso?

Die Logik spielt uns hier einen Streich. Mathematisch ist das Ganze einfach. Man kann den Punkt genau errechnen, an dem Achill die Schildkröte überholt. Einerseits kann man den Abstand zwischen Achill und der Schildkröte unendlich kleiner werden lassen, andererseits gibt es einen genau bestimmbaren Grenzwert, einen Punkt, an dem Achill an der Schildkröte vorbeizieht. Ein Grenzwert in der Unendlichkeit! Offensichtlich haben Mathematiker kein Problem damit, die Unendlichkeit mittels ihres Gegenteils, eines konkreten Grenzwertes zu definieren. Ihre Methode hat sich ja auch in der Praxis als zutreffend erwiesen. Auf unseren Wettlauf bezogen heißt das, der Punkt, an dem Achill die Schildkröte überholt, kann keine räumliche Dimension mehr haben, denn dann gäbe es immer eine noch kleinere, die zurückzulegen wäre. Da dieser Punkt keine räumliche Dimension hat, kann er keine Bewegung verkörpern. Er ist ein Zeit-Punkt der Bewegungslosigkeit. Man kann die Ausgangsdaten für die Berechnung eines solchen Grenzwertes ganz beliebig wählen. Jeder Punkt einer Bewegung kann auf diese Weise als Grenzwert in Erscheinung treten. Mit anderen Worten, die Bewegung setzt sich aus Zeit-Punkten der Bewegungslosigkeit zusammen. Die Punkte der Bewegungslosigkeit müssen gleichzeitig, da sie in ihrer Gesamtheit die Bewegung ausmachen, ein die Bewegung konstituierendes Moment in sich tragen.

Eigentlich ist es merkwürdig, dass Bewegungen aus Zeitpunkten der Bewegungslosigkeit bestehen sollen. Was heißt merkwürdig, immerhin handelt es sich um eine Grundeinsicht der Dialektik, dass nichts nur aus sich selbst erklärt werden kann, sondern dass immer das Gegenteil in die Erklärung einbezogen werden muss. Heraklit hat dies vor 2 500 Jahren so formuliert: „Alles Erkennen, das also diese Identität des Gegensatzes mit sich selbst nicht erfasst hat, die Dinge vielmehr für bloß identisch mit sich selbst und ihr Gegenteil nur ausschließend, somit für beharrende statt prozessierende hält, ist daher ein von dem Allgemeinen und Objektiven abweichendes subjektives Meinen, das keine Wahrheit haben kann…“. Vielleicht wird dieser Gedanke etwas klarer, wenn man bedenkt, dass wohl niemanden zu erklären ist, was „dunkel“ bedeutet, wenn er keine Vorstellung davon hat, was mit „hell“ gemeint ist. Das eine definiert sich aus dem Gegensatz zum anderen.

Doch zurück zu unserer Raumfrage. Eindrucksvoll haben Achill und die Schildkröte gezeigt, dass es dort, wo keine Bewegung ist, auch kein Raum sein kann. Bleibt noch die Frage, was das alles mit dem Ende der Zeit zu tun hat. „Ich bin der Geist der stets verneint! / Und das mit Recht; denn alles was entsteht / Ist wert dass es zu Grunde geht…“ lässt Goethe den Mephisto sagen. Was ist dieses „alles“, das entsteht und zugrunde geht? „Alles“, das sind letztlich alles Strukturen, egal ob Moleküle oder Planeten, ob Pflanzen, Tiere oder Menschen. Alle entstehen irgendwann und, wenn ihre Zeit um ist, zerfallen sie wieder in ihre Bestandteile. Sie zerfallen am Ende ihrer Zeit. So gesehen ist die Zeit etwas Konkretes, nämlich die Spanne vom Werden bis zum Vergehen der jeweiligen Struktur. Alles hat seine Zeit.

Genauso wie jede Struktur Bestandteil einer übergeordneten Struktur ist, so ist auch die Zeit dieser Struktur Bestandteil einer übergeordneten Zeit. Die Zeit der Schildkröte geht in die Zeit der Erde als Planeten ein. Die Erde wird nicht aufhören zu existieren, nur weil die Schildkröte das Zeitliche segnet. Sollte allerdings die Zeit der Erde aus irgendeinem Grund abrupt zu Ende gehen, dann hilft es der Schildkröte nicht, dass sie eigentlich noch jung an Jahren ist und ihre Zeit daher noch nicht gekommen wäre. Sie geht mit der Erde, deren Bestandteil sie ist, unter. Die Erde wiederum ist Bestandteil des Sonnensystems und dieses gehört zur Milchstraߟe, unserer Galaxis. Letztlich sind alle Strukturen Bestandteil des Universums und damit der universellen Zeit. Die universelle Zeit entsteht mit dem Universum und irgendwann wird sie mit ihm zu Ende gehen.

Fassen wir zusammen. Bewegung schafft Raum und sie setzt sich aus Zeitpunkten der Bewegungslosigkeit zusammen. Diese Zeitpunkte der Bewegungslosigkeit können selbst keine räumliche Dimension haben, sie tragen jedoch das konstituierende Moment für Raum und Bewegung insich. Außerdem haben wir festgestellt, dass die Zeit mit den Strukturen entsteht und wieder vergeht. Nun fehlt noch die Frage, wie die kleinsten Bestandteile der Welt, die Grundbausteine aller Strukturen beschaffen sind. Wenn Bewegungen aus Zeitpunkten der Bewegungslosigkeit bestehen, dann müssten Strukturen aus Raumpunkten, die selbst strukturlos sind, aufgebaut sein. Wie ist das zu verstehen?

Bild: terryrotter.de

zuletzt geändert: 02.06.2019