Würde er versuchen, der Lichtgeschwindigkeit hinterherzulaufen so wird sich nicht der Abstand zu dem mit 300.000 Kilometer pro Sekunde eilenden Lichtkegel verkürzen, sondern die Masse und die Zeit des Beobachters würden sich ändern. Könnten wir eine Rakete von der Erde beobachten, die sich nahe an die Lichtgeschwindigkeit annähert, so würden in ihr die Borduhren fast still stehen, während sie auf der Erde weiterwandern, die Zeit passt sich der Geschwindigkeit an. Wenn die Astronauten wieder auf die Erde zurückkämen, wären alle ihre Freunde und Verwandte schon längst nicht mehr am Leben, weil seit ihrem Start Hunderte oder Tausende von Jahren auf der Erde verflossen wären. Allerdings gibt es in unserem Mesokosmos solche Experimente nicht.
Aber auch die Masse des Objekts ist von der Geschwindigkeit abhängig: Beträgt die Masse eines Steines in Ruhe 1 kg, so nimmt sie mit steigender Geschwindigkeit zu, bei halber Lichtgeschwindigkeit etwa beträgt sie das 1,155-Fache. Bei Lichtgeschwindigkeit hingegen würde die Masse so unglaublich groß sein, dass wir unendlich viel Energie aufbringen müssten, um sie dorthin zu beschleunigen. Prinzipiell kann nichts schneller sein als das Licht, obwohl die Energie genauso mit der Bewegung zunimmt wie die Masse.
Man berechnet, dass in einem ruhenden Körper latente Energie verborgen ist und dass umgekehrt Energie jeglicher Form eine gravitative Masse hervorbringen kann. Beides, Masse und Energie, sind von der Geschwindigkeit abhängig. Diese Ruheenergie ist das Produkt von Ruhe + Masse x Lichtgeschwindigkeit2. Sie gleicht einer extrem gespannten Feder, die in der ruhenden Materie schlummert, letztlich die Sonne zum Leuchten bringt und den Kosmos stabilisiert. Und es kann auch aus reiner Energie Ruhemasse erzeugt werden – darin liegt der Ursprung aller Materie.
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Die Unschärfe des Augenblicks
Tatsächlich kann man sich die Quantenzustände eines Atoms mit dem Bild des Sonnensystems erklären: im Zentrum sitzt der Atomkern als kleine Sonne, drumherum kreisen die Elektronen wie Planeten auf ganz bestimmten Bahnen, die von vornherein genau festgelegt sind. Die Bahnen unterscheiden sich um eine mathematisch definierte Energiedifferenz. Ein Elektron kann die Bahn wechseln, dabei wird die Energie, die der Energiedifferenz der beiden Elektronenbahnen entspricht, entweder emittiert oder absorbiert.
Zu dem repräsentieren die Elektronen um die Atome »stehende Wellen«. Sie können damit Teilchen, aber auch Welle sein, was durch die Teilchen-Welle-Dualität beschrieben wird. Auf diesen Ideen aufbauend, entwickelte Erwin Schrödinger die eigentliche Wellenmechanik, jedes Teilchen wird dabei durch die Wellenfunktion Psi beschrieben. Die Schrödinger-Gleichung bestimmt, wie sich die Wellenfunktion räumlich und zeitlich in einer gegebenen physikalischen Umwelt entwickelt. Dabei wurde die Wellenfunktion als »Wahrscheinlichkeitsverteilung« interpretiert; die Elektronen laufen nicht mehr auf definierten Bahnen um den Atomkern herum, sondern umgeben diesen Kern in einer Art Wahrscheinlichkeitswolke.
Der Beobachtungsaspekt ist deswegen von zentraler Bedeutung. Weil sich ohne Beobachtungen keinerlei Aussagen über ein System machen lassen. Ein unbeobachtetes System existiert gewissermaßen gar nicht. Diese Erkenntnis drückt sich in der Heisenberg’schen Unschärferelation aus.
Einfach gesagt: Schaut man auf ein Experiment drauf, ändert das schon das Experiment.
Werner Heisenberg war ein deutscher Wissenschaftler und Nobelpreisträger, er zählt zu den bedeutendsten Physikern des 20. Jahrhunderts. Er fand heraus: Jeder Beobachtungsakt muss ein Quantensystem notwendig stören, wenn man versucht, Ort und Geschwindigkeit eines Elektrons im Atom durch Bestrahlung, das heißt durch eine Art Abtastung mit einem Photon zu messen. Dann kommt es bei dieser Messung zu einer Wechselwirkung zwischen dem Photon und dem Elektron, das bedeutet: Der Messvorgang selbst ist schon die Wechselwirkung, die man berücksichtigen muss. Das Photon wird das Elektron stoßen, unberechenbar, weil der Zustand des Elektrons eben gerade nicht bekannt ist, und zwar umso stärker, je kleiner die Wellenlänge, das heißt, je größer die Energie des Photons ist. Das wiederum führt zu einer unbestimmten Geschwindigkeitsänderung des Elektrons, soll heißen: Es lassen sich nie alle Zustandsparameter eines Quantensystems genau bestimmen. Es bleibt eine fundamentale Restunbestimmtheit, eben eine Unschärfe, die prinzipiell nicht unterlaufen werden kann. Das ist das Wesen des Heisenberg’schen Unschärfeprinzips.
Und dabei wurde etwas Großartiges offenbar: Subjekt (Beobachter) und Objekt (Gegenstand) sind auf fundamentale Weise miteinander verknüpft. In der endgültigen Ausformulierung der Quantenmechanik schwebt sozusagen ein unbeobachtetes Quantensystem in einem unbeobachteten Zustand: Jeder Zustand ist im Prinzip möglich und wird mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit angegeben. Erst durch die Beobachtung, beziehungsweise den Messvorgang, also durch den Eingriff des Subjekts, wird das System des Objekts in einen der vorher nur möglichen Zustände gedrückt und dadurch (aber nur in der gemessenen Größe) bestimmt. In einem gewissen Sinn wird es durch die Beobachtung erst real.
Angenommen, man wünscht sich etwas, und es geht in Erfüllung. Oder man denkt an jemanden, und kurz darauf ruft er an. Überspitzt formuliert, hieße das: Der Geist schafft die Materie. Formt sie erst, indem er Einfluss nimmt. Früher hat man es so erklärt: Der Glaube kann Berge versetzen.
Heute ist das halt der Heisenberg.
Das Elektron ist das älteste bekannte Elementarteilchen, dem im Atom ein sehr kompakter, schwerer, positiv geladener Atomkern gegenübersteht. Die Ladung eines darin enthaltenen Protons entspricht genau der des Elektrons, ist aber positiv, sodass es im Atom immer gerade so viele Protonen wie Elektronen gibt. Ihre Anzahl bestimmt das chemische Element des Atoms. Neutronen benötigt es, um die Protonen, die sich wegen der gleichen Ladung stark abstoßen würden, zusammenzuhalten.
Jetzt gibt es allerdings mehrere Sorten von Elektronen. Die Nyome, die zweihundertfach größer sind als die normalen Elektronen und Teilchen, mit einer dreitausendfachen Elektronenmasse. Die drei Sorten von Elektronen werden mit drei Sorten von Neutrinos verbunden. Neutrinos haben keine Ladung und fast keine Masse, ihre Wechselwirkung mit der übrigen Materie ist zu schwach, sodass sie, wenn sie im Sonneninneren bei der Kernfusion erzeugt werden, praktisch ungehindert und mit Lichtgeschwindigkeit durch die Erde hindurchfliegen. Diese sechs Teilchen bilden zusammen die Familie der sogenannten Leptone, Teilchen, die nicht der starken, sondern nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen.
Denen gegenüber stehen die Hartrone, Teilchen wie das Proton und das Neutron, die der starken Wechselwirkung gehorchen. Die Unterelemente dieser Hartrone wurden als Quarks bezeichnet. Insgesamt gibt es, nach heutigem Erkenntnisstand der Physik, zwölf fundamentale Teilchen in der Natur: sechs Leptone und sechs Quarks. Allerdings müsste man die Botenteile der vier fundamentalen Wechselwirkungen hinzuzählen – bei der elektromagnetischen Wechselwirkung wäre es das bereits bekannte Photon.
Die Liste muss aber noch verdoppelt werden, denn zu jedem Teilchen gibt es auch noch ein Antiteilchen, das dieselbe Masse und denselben Spin besitzt, aber ansonsten in allen anderen Eigenschaften eine Spiegelversion des ursprünglichen Teilchens darstellt. Insbesondere trägt es die umgekehrte elektrische Ladung. So gehört zum negativ geladenen Elektron das positiv geladene Antielektron, das man Positron nennt (das einzige Antiteilchen mit einem eigenen Namen), zum positiven Proton das negative Antiproton, zum neutralen Neutron das ebenfalls neutrale Antineutron. Das Photon hingegen ist sein eigenes Antiteilchen.
Wenn ein Teilchen mit einem Antiteilchen zusammenstößt, kommt es zur völligen gegenseitigen Vernichtung, man nennt das auch Annihilation, bei der bloß Energie übrigbleibt, die durch Photonen weggetragen wird. Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen sich. Dieser Prozess wird Paarvernichtung genannt, man kennt das von manchen Ehen, wobei es allerdings auch eine Paarerzeugung gibt. Wenn zwei Photonen mit genügend hoher Energie zusammenstoßen, kann ein Teilchen-Antiteilchenpaar erzeugt werden. Ein Prozess, aus dem die Materie des Universums hervorgezaubert wurde. Wobei in dieser Spiegelwelt auch stets Antiteilchen dafür notwendig sind.
