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Wenn der Fisch durch die Vakuumröhre saust

In Norwegen erwägen Lachszüchter die Errichtung neuartiger Logistikinfrastrukturen, um ihre Tiere schnell über große Distanzen zu verbringen.

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Futuristische Transportkapsel: Hyperloop fährt – für fünf Sekunden

Der Versuch hat bereits im Mai stattgefunden – aber wurde erst jetzt bekannt: Die Transportkapsel Hyperloop hat den ersten Test in einer Vakuumröhre bestanden. Nicht lange, nicht schnell – aber die Macher sind zufrieden. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Bärtierchen: Zweifel an der Alien-DNA

Bärtierchen überleben im Vakuum und in kochendem Wasser. Eine Rekordzahl fremder Gene könnte ihnen dabei helfen, berichteten Forscher. Es gibt nur ein Problem: In einer zweiten Studie war kaum Alien-DNA zu finden. (Mehr in: SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft)

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Wie schnell ist Gravitation?

Wie schnell ist Gravitation? Manche Fragen möchte ich einfach mit einem Satz beantworten: Gravitation ist so schnell wie das Licht. Doch die Frage ist komplizierter. Sie wirft eine weitere auf: Wie entkommt die Gravitation einem Schwarzen Loch, wenn Licht diesem nicht entkommt?

Was Licht ist, habe ich schon beschrieben. Licht ist eine Welle im elektromagnetischen Feld und bewegt sich mit der Geschwindigkeit von genau 299.792.458 Metern pro Sekunde durch die Raumzeit. Und zwar immer. Nichts kann schneller als Licht sein und Licht kann im Vakuum nicht verlangsamt werden.

Aber Licht ist nicht dasselbe wie ein elektromagnetisches Feld. Wenn wir also unter Gravitation die Schwerkraft verstehen, ist Licht als Analogie unpassend. Wir müssen sagen: Gravitation ist so schnell wie ein elektrisches oder magnetisches Feld. Wie schnell ist das?

Rechts sehen Sie ein Bild eines magnetischen Feldes aus der Wikipedia. Dieses Bild kann falsch gelesen werden: Es kann die Betrachter auf die Idee bringen, ein magnetisches Feld fließe vom Nordpol zum Südpol. So wie ein Elektron vom elektrischen Minuspol zum Pluspol fließt. Dasselbe falsche Bild vermittelt der Name magnetische Flussdichte, den wir einem der Magnetfelder geben.

Dieses falsche Bild hat mir als Schüler Rätsel aufgegeben: Wie kommt es, dass sich ein Magnet nicht verbraucht, wo doch ständig Magnetfluss von Nord nach Süd stattfindet? Was treibt den magnetischen Fluss an?

Tatsächlich fließt hier aber gar nichts. Das Magnetfeld ist eine statische Kraft, die Pfeile im Bild und die Richtung der Vektorgröße magnetische Flussdichte geben keine Bewegungsrichtung sondern eine Kraftrichtung an. Das gilt analog auch für das elektrische und für das Gravitationsfeld.

Gravitation muss ein Schwarzes Loch nicht verlassen. Das Schwarze Loch ist in der Näherung der Schwartzschild-Metrik von einem statischen Gravitationsfeld umgeben. Damit erübrigt sich die Frage, wie die Gravitation das Schwarze Loch verlassen kann, wenn doch Licht nicht dazu in der Lage ist. Ein Schwarzes Loch ist ein eingefrorenes Gravitationsfeld, das ein kollabierter Stern zurückgelassen hat.

Und wie schnell sind Gravitationswellen? Hier gibt es eine andere Schwierigkeit: Während Lichtwellen bei haushaltsüblichen Lichtstärken keinen Einfluss auf die Raumzeit selbst nehmen, sind Gravitationswellen Verwerfungen in der Raumzeit. Sie verändern die Längen und Zeitmaße auf die sich die Messung von Geschwindigkeiten bezieht. Für sehr kleine Wellen lässt sich jedoch eine Geschwindigkeit im umgebenen Raum berechnen. Sie entspricht der Lichtgeschwindigkeit.

Gravitation kann statisch sein. Gravitationswellen sind so schnell wie Licht.

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Zartes und saftiges Sous-vide Garen von Fleisch: die Proteinphysik weist den Weg

Mainz. Professor Thomas Vilgis, Projektleiter am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, und sein Team untersuchen die Proteindenaturierung von Fleisch anhand des Vakuumgarens, auch „Sous-Vide-Technik“ genannt. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in Food Biophysics veröffentlicht und werden Ihnen bei der Zubereitung köstlicher Schweinefilets helfen.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Mit Vakuum und Vulkangestein Wärme speichern

Perlitpulver in Speicherwand reduziert Wärmeverluste
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Was Polarisation noch so alles kann

In meinem letzten Artikel habe ich erläutert, wie die Polarisierbarkeit von Materie dafür sorgt, dass Lichtwellen beim Durchgang durch Gase, Flüssigkeiten und durchsichtigen Festkörpern langsamer oder schneller sind als im Vakuum. Mit der elektrischen Polarisierbarkeit von Materie lässt sich aber deutlich mehr erklären, als nur die Lichtgeschwindigkeit. Ich gebe hier keinen kleinen Überblick.

Kurz rekapituliert: Es gibt in der Elektrodynamik zwei Arten von elektrischen Feldern. Das erste ist die elektrische Feldstärke, die die Kraft angibt, die auf einem Probekörper mit bestimmter Ladung wirken würde, wäre er am Ort des Feldes. Die Feldstärke hat also die Einheit Kraft pro Ladung1. Das zweite Feld ist die elektrische Flussdichte oder, wie ich sie lieber nenne, dielektrische Verschiebungsdichte. Sie gibt an, wie stark das Vakuum mit oder ohne Medium an einem Ort polarisiert ist. Das bedeutet, dass eine Ladungstrennung stattfindet. Die Einheit ist damit Ladung mal Distanz zwischen positiver und negativer Ladung geteilt durch das Volumen2

Man kann sich die Verschiebungsdichte Anschaulich vorstellen: Im Ruhezustand befinden sich Atomkerne und Elektronenwolken kugelförmig umeinander, so dass der Abstand ihrer Schwerpunkte Null ist. Die Ladungen sind gegeneinander nicht verschoben. Die Verschiebungsdichte gibt nun an, wie viele Ladungen pro Kubikmeter um welchen Betrag voneinander getrennt sind. Positive Ladungen zeigen in eine Richtung, negative in die andere. Dass das auch im Vakuum geht, dass das Vakuum selbst, der leere Raum polarisierbar ist, war eine Überraschung im 19. Jahrhundert.

Die Polarisierbarkeit des Vakuums ist immer und überall gleich, sie ist eine Naturkonstante. Aus ihrer Stärke folgt direkt die Lichtgeschwindigkeit, denn sie bestimmt, wie stark die Verschiebungsdichte bei einer bestimmten Feldstärke ist. Eine Feldstärke bedingt eine Verschiebungsdichte, die Verschiebungsdichte induziert eine Änderung Magnetfeldstärke, die Magnetfeldstärke erzeugt die magnetische Flussdichte3 und die induziert eine Änderung der elektrischen Feldstärke. So schließt sich der Kreislauf und eine Welle kann sich fortpflanzen. Ihre Geschwindigkeit folgt aus den Verhältnissen von Flussdichte4 zu Feldstärke für elektrisches und magnetisches Feld.

Gäbe es die Verschiebungsdichte nur im Vakuum, so wäre die Unterscheidung der beiden Felder eine reine Spielerei. Die Felder unterscheiden sich im Vakuum nur durch die Konstante ε0, die Polarisierbarkeit des Vakuums. In Materie dagegen trägt zur Verschiebungsdichte zusätzlich die Ladungsverschiebung der Atome, die Trennung von Elektronen und Atomrümpfen bei. Diese Modifikation der Naturkonstanten ε0 um die Materialkonstante εr zu einer Gesamtpolarisierbarkeit ε=ε0r führt dazu, dass die Lichtgeschwindigkeit in Materie anders ist als im Vakuum.5 Aber die Polarisation kann viel mehr.

Dispersion und Lichtbrechung

Sehen Sie sich einmal die beiden roten Wellen im Bild auf der rechten Seite an. Die mit dem großen Ausschlag7 hat genau die halbe Wellenlänge von der mit dem geringen Ausschlag. Die kleine Welle schwingt also doppelt so schnell. Die schwarze Welle ist eine Überlagerung der beiden Wellen, also einfach die Summe. Sie sieht fast wie die rote aus, schlägt aber in einer Richtung stärker aus als in die andere.

Es gibt Kristalle, in denen die Polarisierung wie die schwarze Welle funktioniert. Der Kristall lässt sich in eine Richtung stärker polarisieren als in die Gegenrichtung. Dadurch erzeugt eine elektrische Feldstärke mit einer bestimmten Wellenlänge eine dielektrische Verschiebungsdichte, die aus einer Überlagerung derselben Wellenlänge mit einem schwachen Anteil der doppelten Wellenlänge besteht. Ein Teil der Wellenenergie wird in eine Welle der doppelten Frequenz gepumpt.

Solche Kristalle finden in der Laserphysik Verwendung und können zum Beispiel aus rotem Licht ultraviolettes oder aus infraroter Strahlung grünes Licht machen. In kommerziellen grünen Laserpointern wird auf diese Weise das sichtbare Licht erzeugt.

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Warum wir den Raum krümmen

Im letzten Beitrag habe ich beschrieben, wie in der allgemeinen Relativitätstheorie aus einer lokal symmetrischen Theorie global asymmetrische Phänomene entstehen, ließ aber offen, warum wir Physikerinnen und Physiker so an die Raumzeit-Krümmung hängen. Es wäre doch viel einfacher, den Raum einfach gerade zu lassen und statt dessen ein Kraftfeld einzuführen. Das geht mit dem Elektromagnetismus schließlich auch. Oder mit der Temperatur. Wir möchten Vorgänge aber gern auf möglichst wenige Grundannahmen zurückführen. Das leistet der krumme Raum besser als jedes Feld.

Ein Feld ist eine Zuordnung einer physikalischen Messgröße zu jedem beliebigen Punkt im Raum. Wenn das Feld außerdem veränderlich ist, muss die Zeit hinzugenommen werden. Nicht jedem Raum-Punkt sondern jedem Raumzeit-Punkt wird eine Messgröße zugeordnet. Eine Messgröße kann etwas einfaches sein wie eine Temperatur oder ein Druck1, es kann ein Vektor mit Richtung sein wie elektrisches Feld oder Windgeschwindigkeit, es können aber auch komplexere Größen sein. Solch eine komplexe Größe wäre eine Raumzeit-Krümmung. Sie gibt an, wie sich ein Probekörper verdreht und verzerrt, wenn er in einer bestimmten Richtung den Raumzeitpunkt durchläuft.

Eine Aufspaltung der allgemeinen Relativitätstheorie in einen ungekrümmten, euklidischen Raum und ein darauf aufgesetztes Krümmungsfeld wäre tatsächlich in vielen Fällen machbar. Im Erdsystem und auch im gesamten Sonnensystem gibt es nirgends so starke Gravitationsfelder, dass diese Aufspaltung unmöglich wäre. Die vom Kommentator fossilium in meinem letzten Artikel angeregte Umdeutung der allgemeinen Relativitätstheorie ist also nachvollziehbar. Allerdings würde sie die Physik nicht vereinfachen, sondern unnötig verkomplizieren.

In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die krumme und beschleunigte Bahn eines Körpers in einem Gravitationsfeld nicht Wirkung einer Kraft, sondern Ausdruck der Geometrie. Diese Festlegung, wie sich ein Körper im Raum zu verhalten hat, wurde mit der Relativitätstheorie nicht neu eingeführt. Schon in Newtons Mechanik gibt es eine solche Festlegung. Ein Körper ohne Krafteinfluss bewegt sich, so Galileos Trägheitsprinzip, auf einer geraden und unbeschleunigten Bahn. Diese Feststellung ist nicht selbstverständlich. Bis ins 17te Jahrhundert herrschte die Überzeugung vor, dass eine Bewegung ohne Krafteinfluss schnell zum Erliegen kommen müsse.

Galileos Trägheitsprinzip hängt von der Wahl der Koordinaten ab. Sie gilt nur in sogenannten Inertialsystemen. Und auch in diesen, so merkt Max Jammer in seinem Buch Concepts of Space an, ist streng genommen nicht klar, ob das Trägheitsprinzip ein Naturgesetz ist oder die Definition von geradlinig, gleichförmiger Bewegung.

Ob ein Körper losgelassen, im Vakuum und frei von allen uns bekannten Kräften ungebremst geradeaus fliegt oder bald zur Ruhe kommt, ist keine Frage, deren Antwort a priori feststeht. Das Trägheitsprinzip ist eher sowas wie eine Erfahrungstatsache. Eine Grundkonzept der Physik, dessen Anwendung regelmäßig zu korrekten und bisher nie zu falschen vorhersagen geführt hat2.

Die allgemeine Relativitätstheorie fasst das Trägheitsprinzip nicht an. Es gibt um jeden Punkt lokal eine Klasse von Koordinatensystemen, in denen ein kräftefreier Körper ungebremst geradeaus fliegt. Die allgemeine Relativitätstheorie gibt lediglich eine weitere Forderung der klassischen Physik auf, nämlich die, dass ein Koordinatensystem ein Vektorraum3 sein muss. Sie lässt eine größere Klasse von krummlinigen Koordinatensystemen zu und fordert nur, dass sich an jedem Punkt ein Vektorraum anschmiegen lassen muss4, in dem das Trägheitsprinzip und all die anderen Gesetze der klassischen Physik gelten müssen.

Die allgemeine Relativitätstheorie wird also deshalb einer Theorie mit geraden Koordinaten5 und zusätzlichem Kraftfeld vorgezogen, weil sie mit weniger Annahmen auskommt. Sie basiert auf einem einfachen Prinzip und führt viele beobachtbare Phänomene auf dieses Prinzip zurück. Leider wurde solch ein einfaches Prinzip für die übrigen Kräfte trotz intensiver Suche nicht entdeckt.

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Welträtsel oder Wissenschaft

Die Welt könnte so einfach sein. Wenn sich der Raum streng euklidisch verhalten würde und alle Winkel- und Längenverhältnisse mit einfacher Mittelstufenmathematik berechenbar wären, bräuchte es keine komplizierten, nichtlinearen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie um den Kosmos zu beschreiben. Wenn die Atome klassische Teilchen wären, mal glatt und rund, mal rau, kantig und mit Häkchen versehen, die miteinander nach Newtons Gesetzen Stöße vollführen und aneinander binden, brauchten wir keine Quantentheorien mit rätselhaften Verschränkungen und Unbestimmtheitsrelationen.

Vereinfachte Weltmodelle gibt es viele und nach wie vor gibt es überzeugte Kritiker der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, die einfache Welterklärungsmodelle feilbieten und die moderne Physik zu einem großen Betrug erklären. Ich beginne langsam zu verstehen, was diese selbsternannten Kritiker antreibt und warum der Dialog mit ihnen so schwer, meistens sogar aussichtslos ist.

Hilfreich für dieses Verständnis war das Buch Einsteins Gegner: Die öffentliche Kontroverse um die Relativitätstheorie in den 1920er Jahren1 2 der Wissenschaftshistorikerin Milena Wazeck. Obwohl sich Wazeck in diesem Werk auf die frühe Kritik an die Relativitätstheorie beschränkt, scheint es mir immer noch aktuell. Die Argumente, mit denen Alternativwissenschaftler Einsteins Relativitätstheorie und Teile der Quantenmechanik ablehnen, haben sich in fast einem Jahrhundert kaum geändert.

Wazeck bezeichnet die Kritiker der Relativitätstheorie als Welträtsellöser und weist damit bereits auf den wesentlichen Unterschied zur etablierten Wissenschaft hin: Ihr völlig anderes Verhältnis zur Metaphysik und zum Wahrheitsbegriff.

In der etablierten Wissenschaft spielt die Suche nach der tiefsten, endgültigen Wahrheit keine Rolle. Je nach Geschmack suchen wir falsifizierbare Theorien3, passende Konstrukte4 oder einfach praktikable Methoden um Messergebnisse zu errechnen5.6 Das bedeutet nicht, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler keine Vorstellung über den Wahrheitsgehalt ihrer Theorien haben dürfen. Es kann bei der Theorienentwicklung sehr hilfreich sein, wenn die Forscherin oder der Forscher eine klare Vorstellung hat, wie die Welt aufgebaut ist.7 Für die wissenschaftliche Arbeit spielt der Wahrheitsbegriff jedoch keine Rolle. Es geht in der etablierten Wissenschaft darum, mit Theorien die gemessenen oder beobachteten Daten adäquat abzubilden.

Welträtsellöser/innen suchen dagegen primär nach der Weltformel, der letzten Wahrheit. Typische Welträtsellöser sind überzeugt, diese Wahrheit gefunden zu haben. Wazeck ordnet das Welträtsellösertum der 1920er Jahre grob in drei Kontexte ein: Okkultismus, Lebensreform und Monismus.

Aus okkultistischer Sicht ist die etablierte Wissenschaft abzulehnen, weil sie auf Reproduzierbarkeit und Intersubjektivität Wert legt. Die Entdeckung der Röntgenstrahlung hat esoterischen Strömungen Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts Hoffnung gegeben: Wenn es mit der von Wilhelm Konrad Röntgen entdeckten X-Strahlung, eine bis dahin unentdeckte Strahlung gibt, die für Menschen nicht wahrnehmbar ist, warum sollte es dann nicht andere Strahlungen geben, die nur von besonders sensitiven Menschen nutzbar ist? Warum sollte man so nicht Phänomene wie Hellsicht, Telekinese, Astrologie erklären?

Okkultisten nehmen Einzelberichte und Geheimwissen ungeprüft als Wahrheit an. Sie erkennen die Forderung der Wissenschaft nicht an, dass ein Phänomen verifizierbar sein muss, bevor eine Erklärung notwendig ist. In den Bereich okkultistisch motivierter Welträtsellöser lässt sich heute die Schwache Quantentheorie des Harald Walach einordnen.

Die Lebensreform-Bewegung nahm an dier zunehmend materialistischen Ausrichtung der Wissenschaft Anstoß. Auch wenn Vertreter/innen der Lebensreform hauptsächlich alternative Heilmethoden gegen die von ihnen als Schulmedizin bezeichnete wissenschaftlich fundierte Medizin durchsetzten wollten, gingen aus ihr auch Kritiker der Naturwissenschaften hervor. Kritiker aus diesem Kontext kritisieren die Naturwissenschaften dafür, dass sie sich nur mit dem materiellen Teil der Welt beschäftigen und geistliches außen vor lassen. Oft setzen sie ein Lebensprinzip als Grundlage ihrer Wissenschaftsauffassung. Für sie ist Leben kein Phänomen, das aus komplexen biochemischen Interaktionen hervorgehen kann, sondern ein grundlegendes Prinzip, das hinter allen Naturphänomenen steht. Mechanische Gesetzmäßigkeiten gehören für sie entweder einer anderen Welt an, in der das Leben nicht erklärbar ist, oder sie sind dem Lebensprinzip untergeordnet. Ein allumfassender Weltgeist treibt die mechanischen wie die biologischen Vorgänge an.

Interessant an den Kritiken aus der Lebensreform-Bewegung ist, dass sie die Wissenschaft einerseits als zu reduktionistisch ablehnen, andererseits aber versuchen ihren eigenen Konzepten einen wissenschaftlichen Anstrich zu geben, um an die gesellschaftliche Autorität der Wissenschaften Teil haben zu können.

Monisten schließlich kritisierten die modernen Wissenschaften für ihre Spezialisierung. Die monistischen Vereinigungen der 1920er Jahre strebten nach einer Universalwissenschaft, die alle gesellschaftlichen Aspekte auf naturwissenschaftliche Grundlagen zurückführte. Diese Spielart der Kritik rekrutierte sich vorwiegend aus Ingenieuren und versuchte auch Ethik und Politik auf mechanische Grundlagen zurückzuführen.8

Es gab und gibt eine Vielzahl monistischer Alternativwissenschaften mit völlig zueinander konträren Ansätzen. Atomistische Theorien, die alle Phänomene auf die Interaktion klassischer Teilchen im Vakuum zurückführen wollen. Weltäthertheorien, die als Grundlage ein metaphysisches, alles durchdringendes Kontinuum von Urmaterie annehmen. Aber auch pantheistische Ansätze, die große Parallelen zu okkulitischen und Lebensreform-Ansätzen haben, sich aber von diesen durch ihre Ablehnung von Dualismen unterscheiden.

Man kann gegen Wazecks Dreiteilung der Kritiker in Okkultisten, Lebensreformler und Monisten einwenden, dass eine eindeutige Zuordnung oft gar nicht möglich ist. Wazeck selbst weist auf die großen Überschneidungen in den Motivationen dieser drei Bewegungen hin. Wollte man Kritiker kategorisieren, so wäre es zielführender, eine Art Matrix aufzustellen, in der jede Alternativtheorie nach ihrer Tendenz zum Okkultismus, zum Lebensreformgedanken und nach ihrer Präferenz von dualistischen oder monistischen Ansätzen eingeteilt werden kann. Aber eine Klassifizierung ist nicht Wazecks Intension. Es geht ihr in erster Linie darum, das Spektrum an Beweggründen von Kritikbewegungen in den 1920er Jahren zu beleuchten. Das gelingt ihr mit dieser Einteilung und den dazu gegebenen Beispielen recht einleuchtend.

Für mich war die Lektüre des Buchs hilfreich, weil sie mir gezeigt hat, wo der wirkliche Konflikt zwischen Naturwissenschaften und ihren unorthodoxen Kritikern liegt. Es sind keine Kleinigkeiten. Die allermeisten Welträtsellöser werden wir nicht von der modernen Wissenschaft überzeugen können, indem wir nachweisen, dass die Relativitätstheorie mathematisch Konsistent ist. Es wird nichts bringen, Experimente zu erläutern und zu zeigen, mit welchen Theorien sie konsistent sind und welchen sie widersprechen. Und es ist auch nicht Zielführend, zu erläutern, warum wir die Relativitätstheorie einer Äthertheorie vorziehen, selbst wenn die beiden Theorien mathematisch gleich sind.

Der wesentliche Unterschied zwischen Welträtsellöser/innen und Wissenschaftler/innen liegt darin, dass erstere andere Erwartungen an Wissenschaft haben. Sie lehnen moderne Wissenschafts- und Erkenntnistheorie ab und suchen nach einer letzten Wahrheit. Nach einer Weltformel. Viele Welträtsellöser waren so überzeugt davon, das letze Prinzip, die Weltformel gefunden zu haben, dass sie sich nicht erklären konnten, warum ihnen die etablierte Wissenschaft nicht sofort beipflichtete. Daraus entwickelten sich dann die Verschwörungstheorien und die Plagiatsvorwürfe gegen Einstein.

Mein Fazit aus der Lektüre des Buches und den Erfahrungen, die ich selbst in der Diskussion über die Relativitätstheorie sammelt konnte, ist, dass Welträtsellöser/innen einfach nicht die Zielgruppe für Erklärungen der Relativitätstheorie sind. Erklären können wir Theorien denen, die grundsätzlich mit den Zielen und Methoden zeitgenössischer Naturwissenschaft einverstanden sind und Details der Theorien und Experimente verstehen wollen.9 Mit Welträtsellöser/innen müssen wir, wenn überhaupt, über Wissenschaftstheorie diskutieren.

(Mehr in: Quantenwelt)

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Warum Materie hart ist

Was ist Materie? Diesen Titel schlug Michael Blume vor, als ich auf Facebook fragte, was sich meine Lesenden als Blog-Thema wünschen würden. Was-ist-Fragen sind für mich als Physiker immer etwas schwierig, ich habe mir also einen Aspekt herausgesucht, zu dem die Physik was zu sagen hat: Warum ist Materie hart?

Wir kennen Materie in drei Aggregatzuständen: Fest, flüssig und gasförmig1. Eine wesentliche Eigenschaft von Materie ist, dass sie Raum einnimmt. Wo Luft ist, kann kein Wasser sein. Wo ein fester Körper ins Wasser fällt, verdrängt er dieses. Das Verhältnis von Masse des Körpers zur Masse des verdrängten Fluids bestimmt dann, ob der Körper aufschwimmt oder untergeht.2

Nun ist aus der Atomphysik3 genau das Gegenteil bekannt. Materie, so lernen wir dort, besteht zum überwiegenden Teil aus nichts. Ein Atom hat einen Durchmesser im Bereich einiger Ångström4. Der Atomkern, in dem fast die gesamte Masse steckt, ist nur wenige Femtometer groß. Das ist nur ein Zehntausendstel des Atomdurchmessers. Und die Elektronen, die um den Kern herumflitzen, haben gar keine messbare Ausdehnung. Wie soll solch ein luftiges Objekt etwas verdrängen? Warum fällt meine Kaffeetasse nicht einfach durch die Tischplatte?

Die Experimentelle Grundlage für das Bild vom fast leeren Atom bilden Ernest Rutherfords Streuversuche. Rutherford habe ich in meinem Artikel zu Marie Curie schon erwähnt. Er zeigte erstmals, worum es sich bei der als Alphastrahlung bekannten radioaktiven Strahlung handelt. Sie besteht aus Kernen von Helium-Atomen. Das zeigte er, indem er ein radioaktives Präparat durch ein dünnes Metallfenster in ein Entladungsrohr strahlen ließ und spektroskopisch nachwies, dass sich dort Helium ansammelte.

Reine Heliumkerne ohne Elektronen können also ein dünnes  Metallfenster durchqueren, nehmen dann in dem Glasrohr Elektronen auf und können als vollständige Heliumatome nicht mehr zurück5. Für die Undurchlässigkeit von Materie sind also nicht die Kerne zuständig, sondern die Elektronen. Kerne ohne Elektronen fliegen durch Materie hindurch, Kerne mit Elektronenhülle werden aufgehalten.

Im klassischen Teilchenbild ist das völlig unverständlich. Es kann nicht an der Größe der Elektronen liegen, denn die sind unmessbar klein, während Kerndurchmesser im Femtometer-Bereich liegen. Es kann nicht an elektromagnetischer Abstoßung liegen, denn die Ladung der Kerne ist sogar größer als die der Elektronen. Außerdem ziehen vollständige Atome einander eher an, als dass ihre Ladung abstoßend wirken würde. Das Bild, nach dem im Atom größtenteils Vakuum herrscht und nur vereinzelt Elektronen um einen winzigen Kern flitzen, taugt also zum Verständnis harter Materie nicht.

Wir sollten uns Atome nicht als größtenteils leeren Raum vorstellen. Wellenfunktionen stellen wir uns besser als Verteilungswolken vor: Das Elektron ist nicht irgendwo in der Wellenfunktion, sein Aufenthaltsort wird vollständig durch die Wellenfunktion beschrieben. Damit sind Atome keine Planetensysteme. Eher sowas wie Gummibälle. Ihre Elektonenverteilung lässt sich durch Atomorbitale beschreiben. Diese sind im unbeeinflussten Zustand kugelförmig und können mit mehr oder weniger Kraft verformt werden.

Schon durch ein relativ schwaches Magnetfeld, zum Beispiel das der Erde, können Keulen- und Donut-förmige Orbitale stabilisiert werden. Unter dem Einfluss benachbarter Atome kann die Elektronenhülle eines Atoms weitgehend verformt werden, so dass komplizierte Bindungsmuster und Kristallstrukturen möglich werden. Diese Verformungen ändern aber am Volumen von Atomen nur wenig. Um ein Atom zu verkleinern oder mehr Elektronen in denselben Raumbereich zu bringen, ist einiges an Kraft nötig. Es braucht Energie, um den Platzbedarf einer Elektronenwolke zu reduzieren6.

Elektronen nehmen also Raum ein. Das scheint mit der klassischen Beobachtung in Einklang zu stehen. Aber warum können die oben erwähnten Alphastrahlen durch die Metallfolie ungehindert hindurchgehen als gäbe es dort nur die winzigen Atomkerne? Unsere Alltagsbeobachtung, dass keine zwei Materieteilchen am selben Ort sein können, ist falsch. Atomkerne können sehr wohl in einem Raumbereich sein, in dem sich schon Elektronen befinden. Der Ausschluss bezieht sich in der Quantenwelt nur auf gleichartige Teilchen. Nur Elektronen sind ein Hindernis für Elektronen.

Aber auch schnelle Elektronen gehen ungehindert durch Elektronenwolken hindurch, denn der Ausschluss bezieht sich in der Quantenwelt nicht auf den Raum allein. Er bezieht sich auf den Phasenraum, einen sechsdimensionalen Raum, der aus Ort und Geschwindigkeit gebildet wird. Zwei Elektronen, so sagt das Pauliprinzip, dürfen sich nie zugleich im selben Phasenraum-Zustand befinden. Wenn sie sich genügend in Ort oder Geschwindigkeit unterscheiden, ist alles OK. Auch wenn sie sich in ihrer weiteren Quanteneigenschaft, dem Spin, unterscheiden, können sie sich Ort und Geschwindigkeit teilen. Aber denselben Zustand nehmen zwei Elektronen niemals ein.

Gegenstände fester Materie können einander deshalb nicht durchdringen, weil der größte Teil ihres Volumens von Wolken langsamer Elektronen ausgefüllt ist. Diese Elektronenwolken sind hart. Jedenfalls für gleichartige Elektronenwolken.

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Gelöstes Eisen – mit vergleichbaren Eigenschaften wie ein Festkörper

HZB-Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, um in Flüssigkeit gelöste Metall-Ionen besser untersuchen zu können – Fortschritt für die Katalysatorforschung

Wissenschaftler am HZB haben die neue Methode – die „Inverse Partial Fluorescence Yield“ (iPFY) – entwickelt, mit der sie die Absorption von Röntgenstrahlung in einem Flüssigkeitsstrahl messen können, der sich frei durch ein Vakuum bewegt. Solche Untersuchungen sind für die Strukturanalyse von Substanzen erforderlich, die in der Flüssigkeit gelöst sind. Dabei kann es sich beispielsweise um Metall-Ionen handeln, die als Bestandteil von Proteinen Katalysatoren biochemischer Reaktionen in Zellen sind.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Rundum Solar! Clusteranlage am Fraunhofer FEP eröffnet neue Perspektiven für Dünnschichtsolarzellen

In ihrer neuen Anlage können die Dresdener Forscher wichtige Vakuumtechnologien in beliebiger Reihenfolge kombinieren und somit die Entwicklung preisgünstiger Solarzellen beschleunigen
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Pilzköpfe im Vakuum

Kieler Wissenschaftler erforschen biologisch inspirierte Haftstrukturen

In der aktuellen online-Ausgabe des renommierten Royal Society Journals In-terface vergleichen Kieler Wissenschaftler die Haftkraft von biologisch inspirier-ten Haftfolien unter Atmosphärendruck und im Vakuum. Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung können dazu beitragen, neuartige Materialien zum Bei-spiel für die Raumfahrttechnik, Medizin oder Meerestechnik zu entwickeln.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

Posted in Artikel Phaenomene

Lässt CERN „tote“ Materie lebendig werden?

Leben ist gekennzeichnet durch die prinzipielle Unvorhersagbarkeit des Verhaltens. Die Flugbahn eines Steins kann man vorhersagen. Für die Bahn des Vogelflugs gilt das nicht. Doch die Welt toter Materie ist im Kleinen ungeahnt lebendig. Continue reading „Lässt CERN „tote“ Materie lebendig werden?“

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Ernährung: Keine Angst vor dem bösen Acrylamid

Ob per Vakuumfritteuse, durch niedrigere Temperaturen oder durch den Austausch von Zutaten: Seit dem Lebensmittelskandal von 2002 hat die Backwarenindustrie konsequent Methoden ersonnen, um die Gefahr durch den krebserregenden Stoff Acrylamid zu minimieren. Deutschland ist dabei weltführend.
Quelle: WELT ONLINE – Wissenschaft

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Ist die Quantenmedizin die sanfte Medizin des 21. Jahrhunderts?

Quantenphysiker als Geistheiler
Die Quantenmedizin basiert auf einem uralten empirischen Wissen. Neueste Erkenntnisse aus der Physik deuten darauf hin, dass sich hinter den Erfolgen möglicherweise nicht nur ein Placeboeffekt verbirgt.

„Wir betrachten gewöhnlich nur die Materie, weil wir sie sehen und anfassen können. Viel wichtiger sind jedoch die Wechselwirkungsquanten, welche die Materie zusammenhalten und deren Struktur bestimmen“, so hatte es der italienische Physik-Nobelpreisträger und ehemalige Generaldirektor des CERN Prof. Dr. Carlo Rubbia einmal auf den Punkt gebracht. Continue reading „Ist die Quantenmedizin die sanfte Medizin des 21. Jahrhunderts?“

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Kraft- und Schmierstoff einsparen – Fraunhofer IWS Dresden auf der Hannover-Messe 2009

Mit der im Fraunhofer IWS Dresden entwickelten Technologie des laser-gesteuerten Vakuumbogens (Laser-Arco®) ist es möglich, eine neue Generation von diamantähnlichen amorphen Kohlenstoffschichten herzustellen. Ihre Härte ist bis zu 3-mal höher als die der bisher verfügbaren Schichten. Auch ohne Schmierung erreichen sie niedrigste Reibwerte.

Besuchen Sie uns auf der Hannover-Messe vom 20.-24.04.2009 auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Oberflächentechnik in Halle 6, Stand F48.
Quelle: Pressemitteilungen – idw – Informationsdienst Wissenschaft

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Null-Punkt-Energie: Welche Eigenschaft hat das absolute Nichts?

Das Vakuum gilt gemeinhin als Synonym für die absolute Leere. Doch weiß man inzwischen, dass selbst im Labor, wo fast das absolute Nichts erzeugt werden kann, Kräfte im Vakuum wirken. Prof. Holger Gies und sein Team waren die ersten, die die sogenannte Casimirkraft zwischen beliebig geformten Körpern vorhersagen und berechnen konnten.
Quelle:  Hintergrundinformationen