Wolfgang Korsus
Dipl.Ing. NT , Astrophysiker
Klingenberg 40
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Teil 5
Jetzt sind wir tatsächlich nach einer erst kurzen Reise in einem noch nicht fertigen Kosmos irgendwo gelandet. Auf diesem erst recht kurzen wissenschaftlichen Weg durch Universen oder erst eins von ihnen, lege ich mich das erste mal auf meine Weichteile. Das heißt nichts anderes als ……bin gestolpert, aber über was?
…..es sind die ersten Teilchen !
Wenn ich von Teilchen spreche ist das Thema „Materie“ nicht weit. Aber beginnen werde ich mit den „ersten“ Teilchen. Sie traten in Erscheinung und zwar als das noch sehr instabile Medium der Urweltblase aus seinem verdammt heißen, jedoch falschen in den viel kühleren aber richtigen Normalzustand übergegangen war. Dieser Übergang setzte wie zu erwarten ist, mordsmäßig viel ENERGIE frei. War also einfach plötzlich da.
Dieser Übergang, der in dem Anfangs- Bild von überhitztem Wasser dem explosionsartigen Entkommen einer sich ausdehnenden Dampfblase entspricht, führte hier also zu einer sehr abrupten Expansion, nennen wir sie dementsprechend, die «Inflation» der Kosmologen.
Ich spreche von einer unvorstellbar kurzen Zeit, in etwa 10¯³⁴ Sekunden fand eine räumliche Ausdehnung um einen Faktor 1026 oder mehr statt. Am Ende dieses Vorgangs fiel das System dann schlagartig in den, wie soeben erwähnt richtigen Normalzustand, wobei auch die Energiedifferenz zwischen dem falschen und dem richtigen Normalzustand nun im Raum zur Verfügung stand. Sie konnte wirksam werden. Gesagt werden muß, es gibt hier und heute keinen vergleichbaren «Augenblick» solcher Kürze und selbst auch keine vergleichbare Ausdehnungsrate. Dieses Ereignis war ein absolut einmaliges Ereignis in der Geschichte unseres Universums, es war eine Geburt: nämlich der Urknall. Gehen wir sicher verständnisvoll, mehr ins Detail um es besser zu verstehen.
In dem brodelnden „Urmedium“ entsteht eine geringe Fluktuation in der Dichte. Und selbst die Quantenmechanik sagt vorher, dass eine solche Fluktuation mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit immer wieder vorkommen kann. In diesem Fall genügt sie, um als Störung die spezielle Blase zu erzeugen, in der das System dann vom falschen auf den richtigen Normalzustand zutreibt. Man muß voraussetzen, solange die Energiedichte innerhalb der Blase nur wenig geringer ist als die des falschen Zustands, dehnt sie sich weiter aus mit der beschriebenen dramatischen Urweltrate. Dann, ganz plötzlich, findet der Übergang, der Absturz in den energetisch viel niedrigeren Normalzustand statt. Die Ausdehnung kommt in diesem Moment jetzt fast zu einem Halt; die Inflation ist beendet. Die Aussage steht, unser Universum ist geboren, und von jetzt an setzt folgendes ein:
Es heißt die Entwicklung nach dem Urknall — vorher war es die Urknall-Kosmologie.
Der Absturz in den Normalzustand, (Absturz hört sich in diesem Fall negativ an ) hatte sehr viel Gutes erzeugt. Denn wie ich schon erwähnte, wurde plötzlich die Energiedifferenz zu dem höheren, falschen Zustand sozusagen in den Raum geworfen. Aber schon wieder eröffnet sich eine neue Frage ; „ Was geschieht nun mit dieser unmittelbar verfügbar gewordenen, eigentlich < überflüssigen> Energie? Schleiche ich nochmals zu dem Beispiel des Balls auf dem Berg, dort hatten wir gesehen, dass sich die oben vorhandene Potentialenergie unten in kinetische Energie verwandelt; bestünde der Ball aus Glas, würde er beim Aufprall in viele auseinanderfliegende Stücke zerplatzen. Im Fall der Urweltblase verhält sich das ganz anders — hier und jetzige entstanden aus der frei gewordenen Energie die Fragmente für die gesamte kommende Welt .
Das muß erst einmal verstanden werden; also rein in die CPU und sie arbeiten lassen!
Zunächst untersuchen wir,
1. was passiert, wenn Energie im leeren Raum deponiert wird,
2. was ist eigentlich leerer Raum?
Die im vorigen Kapitel schon erwähnte dunkle Energie lassen wir zunächst still liegen, sie ist nur für die Formung das Raums zuständig. Aber nicht für dessen Inhalt. Ich weise jetzt mal kurz auf die Arbeiten des britischen Physikers Paul Dirac hin. Denn aus seinen Arbeiten wissen wir, dass der leere Raum nur auf den ersten Blick leer ist:
➙ Er ist ein Meer von virtuellen Teilchen, das Meer aller Teilchen, die noch nicht in die Wirklichkeit gelangen konnten, weil ihnen die Energie dafür fehlte.
➙ Der leere Raum ist wie ein See, unter dessen Oberfläche alle möglichen Teilchen nur darauf warten, die Energie für den Sprung nach oben, in die Wirklichkeit, zu erhalten. Das gerade Geschriebene neigt dazu zu fragen: „Was schwimmen dort für Fische?“
➙ Was sind eigentlich Teilchen, und was für Arten von Teilchen gibt es? Damit sind wir in der Sparte „Teilchenphysik“angekommen. Die sagt aus, dass es in der heutigen unseren Welt eine Menge verschiedener „Spezies“ gibt und die mit sehr verschiedenen Kräften untereinander in Wechselwirkung stehen. Jedoch muß ich darauf hinweisen, diese Vielfalt hat sich erst im Laufe der Zeit nach dem Urknall entwickelt, wieder gleich zu setzen mit den verschiedenen Lebewesen, die sich in unserer Welt aus einfacheren Urformen entwickelt haben. Deshalb ist es gar nicht verwunderlich, dass die Physiker gerne von einer Teilchen-Urform ausgehen würden, aus der dann alles hervorgegangen ist.
Es ist ein ehrenwerter Wunsch ohne Zweifel, dieser Wunsch hat zwar zu vielerlei Versuchen geführt, aber bisher nicht zu einer wirklich definitiven Lösung ; ich sage gleich zu diesem Thema mehr“…..
Zunächst aber kann man festhalten, dass es schon kurz nach dem Urknall bereits zwei klare, eindeutige Grundformen gab. Diese sind zweifelsohne aus der verfügbaren Energie entstanden.
➨ Materieteilchen und Kraftteilchen
Die ersten sind die Grundbausteine der Materie, aus denen alles aufgebaut ist; die anderen vermitteln die Wechselwirkung zwischen diesen Bausteinen.
Ein besonderes Mittel, mit dem die Grundbausteine zu Materie zusammengefügt sind, aber sie können mehr, sie werden auch als Boten ausgesandt, wenn Materieteilchen aufeinanderprallen, sozusagen als Signal für ein solches Ereignis
Betrachten wir mal die Zerlegung von Materie. Die Zerlegung in immer kleinere Bestandteile führt zu erstaunlichen Ergebnissen. Wo ist die Grenze dessen, wann stoßen wir auf sie? Sie sind dann die kleinsten Bausteine der Materie. Sinnvoll wird die Grenze erst, wenn eine weitergehende Reduktion nicht mehr möglich ist, deshalb die Frage: „Wann und wo pgibt es ein Ende der Teilbarkeit ?
Fragen muß man in der Wissenschaft immer beantworten, oft ist es nur ein Versuch doch es wurde ein tatsächliches Ergebnis. Deshalb versuche ich die so eben angegebene Frage auch zu beantworten. Selbstverständlich ist wie immer ein bisschen Geschichte dabei.
Ich beginne !
Es beginnt recht negativ denn die frühen Versuche sind daran ( an der Frage) gescheitert, denn das wissen wir, die Atome der Chemiker bestehen aus Kernen und Elektronen, die Kerne der Physiker aus Nukleonen, also Protonen und Neutronen. Jetzt kommt es, denn letztere bestehen ihrerseits wiederum aus Quarks.
Die letztgenannten Teilchen so meinen wir heute, bestehen ihrerseits wiederum aus Quarks.
Ich beginne jetzt mit dem geschichtlichen Bestand, der uns an das Thema absolut logisch heranführt. Er heißt Lukrez, er war ein römischer Philosoph und hat vor gut mehr als zweitausend Jahren etwas vorläufig festgestellt und hat es als wahr angenommen.
Er sagte : „ das die wirklich letzten Bestandteile der Materie nie einzeln existieren können, sondern immer nur als Teil einer Verbindung. Gäbe es sie nämlich einzeln, könnte man wiederum fragen, woraus sie denn bestünden. Deshalb, so meinte er, könnte ein solches „Urteilchen“ immer nur existieren «als Urbestandteil eines größeren Körpers, von dem keine Kraft es je trennen kann». Das wäre dann ein logisches Ende der Teilbarkeit.
Und in der Tat erfüllen die Quarks diese Lukrez’sche Forderung: Sie unterliegen, in der Sprache der heutigen Physik, man nennt es das dem „quark confinement – ein Quark kommt niemals allein“. Weiter mehr ins Detail.
Quarks sind nie, absolut nie, isoliert in der Natur zu finden. Sie befinden sich einfach immer in den Atomen, also Protonen und Neutronen und sind winzig, undefinierbar klein. Erst durch das kaputt schießen von Atomen durch Wissenschaftler zeigte sie sich, oder besser wurden sie langsam nachgewiesen.
Quarks sind Elementarteilchen und fundamentale Bestandteile der Materie. Quarks verbinden sich zu zusammengesetzten Teilchen, die Hadronen genannt werden. Hierzu gehören die Protonen und Neutronen, die Bestandteile der Atomkerne.
Bislang konnten keine Hinweise für eine von Null abweichende Größe gefunden werden. Experimentelle Befunde liefern eine obere Grenze von 10¯¹⁹ was dem 10 ˉ⁴ der Größe eines Protons entspricht. Quarks sind nach heutigem Wissensstand elementar. (grundlegend, naturhaft, urwüchsig)
…….nicht lachen, nur schmunzeln.
Jetzt ins Femto- bzw. Atto-Detail ( klein ist doch herrlich)
Nukleonen bestehen also aus drei miteinander verkoppelten Quarks, jedoch es muß bemerkt werden,keine Kraft kann sie je spalten und wird sie je spalten können !
Davon ist in vielen Berichten (Experimenten) die Rede.
Zusätzlich wird inzwischen auch eine Theorie für die Wechselwirkung der Quarks erwähnt. Einfach gesagt, diese führt auf die Beschreibung der tatsächlichen Unteilbarkeit. Über die eben gesprochenen Dinge konnte gleich nach dem Urknall sich noch Keiner sorgen. Der leere Raum, das Nichts gab es noch nicht ! Die damals freigesetzte Energie war so groß, dass daraus „nur“ eine unvorstellbar dichte Menge von Teilchen und von Quarks, entstand.
Gewühl der Urmaterie
In der Urmaterie wurden also Quarks nie allein gelassen und somit fanden sich in unmittelbarer Nähe immer weitere Quarks. Das führt selbstverständlich zu recht amüsanten Vorstellungen.
In einem Nukleon ist ein Quark auf ewig mit seinen beiden Partnern verkoppelt ich wiederhole : (« keine Kraft kann sie je trennen»), Doch in dem dichten Gewühl der Urmaterie ist ein Qurck völlig frei: Es „spaziert“ wo hin es will. Denn nirgendwo droht ein Vakuum, überall hat es in seiner Nähe ständig mehr als genügend der vom quark confinement geforderten Begleiter. Das heißt, es kann sich also über beliebige ausgedehnte Bereiche frei bewegen, dennoch begleitet von ständig neuen Partnern. Genau das die Urmaterie wir heute als Quark-Plasma» bezeichnen. Es ist natürlich nicht auszuschließen das es sehr viele Projekte gibt und auch schon gegeben hat In der experimentellen Großforschung wo man versucht seit einigen Jahren dieses Plasma im Labor zu erzeugen. Bisher verlief alles mehr negativ. Es gibt aber noch einen weiteren wesentlichen Aspekt der die kleinsten Urteilchen betrifft.
Deshalb tun sich mir weitere Fragen auf wie Diese: warum besteht ein Nukleon aus drei solcher Quarks und nicht aus beliebig vielen? Warum steigt die Größe eines Kerns mit der Zahl der darin enthaltenen Nukleonen an? Anscheinend muss man davon ausgehen, dass man in einem Raumelement nicht beliebig viele Teilchen unterbringen kann.
Materieteilchen haben selbstverständlich ein „Eigenleben“ und das drückt sich aus in einem für sie besonderen „Sein“. …….Entschuldigung ein bisschen philosophisch….
Jedes Materieteilchen hat nun mal seinen eigenen und auch vorbehaltenen Raum, wie klein er auch sein mag ! …..und ob Sie es glauben wollen oder auch nicht….. fordert jedes der Materieteilchen immer seinen eigenen, nur ihm vorbehaltenen Raum, wie klein dieser auch sein mag. Sicher ist der nächst folgende Satz denkbar : Die Summe all dieser Räume mit den darin herrschenden Teilchen ist dann die uns bekannte „Materie“.
Es ist so und nicht anders es gibt in der modernen Physik solche Teilchen, die territoriale Ansprüche haben, sie erlauben kein anderes, identisches in ihrem Raum.
Ich spreche von Elektronen, Nukleonen und–als Bestandteile der Nukleonen–eben auch von Quarks. Ich wende mich jetzt einem Physiker zu, der das von mir vorher „ erwähnte“ auch benann und erforscht hat, es ist das von ihm formulierte „Ausschließungsprinzip“. Der Physiker heißt Wolfgang Pauli (1900–1958) und er hat das 1925 getan.
Etwas fachlicher formuliert :
„Am exakt gleichen Ort können keine zwei in jeder Hinsicht identischen Teilchen dieser Art existieren“. Auch die unmittelbare Konsequenz dieses Prinzips ist zu erwähnen, „es ist dann auch, dass Atomkerne mit zunehmendem Gewicht, also zunehmender Nukleonzahl, immer größer werden.“ Ich sage : Mit der Nukleonzahl folgt auch eine zunehmende Kerngröße.
Ein Gold-Kern z.B. enthält 200 Nukleonen, ein Helium-Kern nur vier. Da jedes Nukleon wie gesagt auf seinem Raum besteht, muss der Gold-Kern entsprechend viel größer sein als der Helium-Kern.
So kurze Pause…es geht bald weiter mit Teil Sex ….äh ich meine natürlich 6