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Die Grenzen in der Naturwissenschaft

Wenn ich mich mit Science Fiction Anhängern unterhalte - besonders mit Fans der Serie Star Trek - dann bekomme ich oft zu hören, das diese an Dinge glauben die dort ganz normal sind : Reisen mit Über-Lichtgeschwindigkeit, "Beemen", etc. Wenn man Sie dann darauf hinweist, das dies physikalisch nicht möglich ist, bekommt man oft die Antwort, "Ja mit der heutigen Technik und dem heutigen Erkenntnisstand, aber wer weis was man noch alles entdecken wird, und wie oft hat sich die Wissenschaft schon geirrt...".

Aus diesem Grunde ist dieser Aufsatz entstanden. Er behandelt im ersten Teil wie sich Wissenschaft weiterentwickelt und wie sich damit auch unsere Kenntnis von der Welt entwickelt. Im zweiten Teil geht er auf das ein, was wirklich feststehende Grenzen sind, unabhängig vom technischen Fortschritt, wie sie zustande kommen und was ihre Auswirkungen sind. Das ist das eigentliche Thema dieses Aufsatzes: Die Grenzen unserer Erkenntnis, und zwar gemeint als wirkliche Grenzen, die wir mit noch so viel Technik nicht überschreiten können. Übrigens Star Trek Fans aufgepasst: Ihr findet in dem Aufsatz auch einige Erklärungen warum vieles von Raumschiff Enterprise nicht funktionieren kann. In diesem Teil 1 geht es um den Mikrokosmos, also Elementarteilchen und Atome, im zweiten Teil um den Makrokosmos - das Universum, die Relativitätstheorie und Schwarze Löcher.

Wissenschaft - Entwicklung und Irrtum

Albert Einstein Wie schon geschrieben glauben viele Anhänger von Raumschiff Enterprise und Konsorten, das bei dem rapiden Fortschritt den die Technik in diesem Jahrhundert gemacht hat, das irgendwann einmal die Menschen durch die Galaxie reisen werden. Dabei Funkverbindung zur Heimat halten, und sich in Atomen durchs Weltall Beemen lassen. Anhänger verweisen dann gerne darauf, das man in der Wissenschaft sich ja auch so oft geirrt hat. Hat nicht die Relativitätstheorie Newtons Mechanik abgelöst, die doch 300 Jahre gültig war? Haben sich nicht namhafte Wissenschaftler geirrt?

Zuerst zum letzten Punkt. Auch prominente Forscher sind nur Menschen. Niemand ist gegen Irrtümer und eingefahrene Meinungen gefeit. So sagte Ernest Rutherford, Schöpfer des nach ihm benannten Atommodells 1936 zu Einstein "Energie aus einem Atom herausholen - Einstein das sind doch nur Phantasien...". Umgekehrt glaubte Einstein nie an die Quantentheorie, weil Sie seinem Weltbild widersprach. Menschen sind fehlerhaft, etwas unwahrscheinlicher ist es viele Menschen die an etwas arbeiten zu demselben Irrtum kommen. Die Vielfalt der Ansichten ist es welche die Wissenschaft vorwärts treibt. Zudem reicht eine neue Erkenntnis aus, die von einem gewonnen wird, das viele alte Lehrmeinungen revidiert werden müssen.

Der erste Punkt ist schwerer zu erklären. Es betrifft wie man in der Wissenschaft eigentlich vorgeht. Für den Laien sieht es oft aus, als würde eine neue Erkenntnis alles vorhergehende umstoßen und als falsch darstellen, doch das ist selten so. Vielmehr muss man um zu begreifen wie sich Wissenschaft entwickelt, erst einmal verstehen wie in den meisten Wissenschaften die Vorstellung über die Welt ist.

Bei allen Dingen die wir nicht direkt beobachten - ansehen, hören, befühlen - können - und das ist fast alles was tiefer mit dem Verständnis zu tun hat - entwickelt man zuerst ein Modell. Ein Modell ist eine Vorstellung davon wie etwas aussehen könnte in Bezug auf das was beschreibt. Modelle sind daher oft stark vereinfachend. So betrachtet die Gravitationstheorie einen Körper als einen Punkt von dem aus die Gravitation ausgeht. Woraus der besteht und das er eine Ausdehnung hat kann man z.B. bei der Erde zuerst vernachlässigen. Bei einem unregelmäßigen Asteroiden sieht das dann schon wieder ganz anders aus, hier kann man also dieses einfache Modell nicht anwenden.

Ist Newtons Theorie falsch?

Woher wissen wir nun, das ein Modell richtig ist? Nun eigentlich geht es mehr umgekehrt. Man hat eine Beobachtung und entwickelt ein Modell dazu. Kann das Modell die Beobachtung erklären, so sucht man nach weiteren Beobachtungen. Je mehr Beobachtungen das Modell erklären kann desto populärer und etablierter wird es - und desto größer der Ruhm und das Aufsehen, wenn jemand ein neues Modell findet, dass das alte ersetzt, d.h. auch Beobachtungen erklären kann die mit dem alten Modell nicht gingen. Ein gutes Beispiel dafür ist z.B. die Relativitätstheorie. Sie bewies, das Newtons Theorie über die Gravitation eigentlich nur ein Spezialfall für kleine Geschwindigkeiten ist.

Damit sind wir bei etwas schwierigem. Der Laie erwartet oft einfache Antworten - Ja oder Nein, Falsch oder Richtig. So etwas gibt es bei der Erkenntnis nur selten. Man bekommt eine differenzierte Antwort, weil diese oft von den Umständen abhängt. So ist Newtons Theorie für die meisten Geschwindigkeiten im täglichen Leben und in der Raumfahrt völlig ausreichend. Erst wenn es an die Lichtgeschwindigkeit heran geht braucht man die Relativitätstheorie. Dies gilt für viele Modelle. Sie sind hierarchisch aufgebaut und eines enthält das andere als Spezialfall.

Newtons Theorie ist nicht falsch, sie gilt eben nur unter bestimmten Randbedingungen. Das ist nun nichts wirklich neues. Im täglichen Leben verwendet man oft solche Vereinfachungen. Man kann z.B. die Fallzeit eines kleinen, massiven Gegenstandes nur mit der Gravitationstheorie berechnen. Das klappt für alle Experimente die man Gebäuden aus durchführen kann. Macht man das Experiment von einem Flugzeug aus so wird man feststellen, das fallende Gegenstände im Widerspruch zur Gravitationstheorie sich nicht immer weiter beschleunigen sondern maximal 800 km/h schnell werden - mehr lässt der Luftwiderstand nicht zu. Auch hier ist die Gravitationstheorie nicht falsch, sie berücksichtigt nur nicht Einflüsse die es noch dazu gibt.

Beispiel für die Entwicklung einer Vorstellung: Das Modell über unser Universum

Ein gutes Beispiel ist die Entwicklung über die Vorstellung über unser Universum. Die ersten die ein Modell darüber machten, waren die Griechen, welche die Sterne als fest am Himmel ansahen und die Planeten und die Sonne um die Erde drehen. Ihr Modell gründete sich nicht auf Naturwissenschaft sondern auf die Vorstellung, das alles vollkommen im Himmel sein müsse. Daher müssten die Planeten auf Kreisbahnen um die Erde kreisen. Als dies nicht mit den Beobachtungen überein stimmte, führte man eine weitere Kreisbewegung auf dem ersten Kreis und dann eine zweite auf dem zweiten Kreis ein. Obwohl das Modell damit nicht der Wirklichkeit entsprach konnte es alle Bewegungen der Planeten erklären und war so zuverlässig, das es Columbus 1503 aus der Patsche half, als Eingeborene sich gegen Ihn auflehnten und er mit einer angekündigten Sonnenfinsternis sich als "Gott" profilieren konnte.

Dies zeigt zweierlei: Erstens ein Modell ist nicht unbedingt die Wirklichkeit, und zweitens ein Modell ist solange erfolgreich wie es die Wirklichkeit erklärt. Übrigens sind wir soweit nicht von den Griechen entfernt: Das 1906 postulierte Rutherfordsche Atommodell ging von Elektronen aus, die wie Planeten den Atomkern umkreisen. Heute wissen wir, das wir Elektronen weder als Teilchen noch als Welle beschreiben können, trotzdem kann man mit der Rutherford Modell so tolle Dinge wie elektrischen Strom, bestimmte chemische Bindungen und Spektrallinien erklären.

Doch zurück zu der Vorstellung über unser Planetensystem. 1543 stellte Kopernikus dann die Theorie auf, das die Sonne im Mittelpunkt der Planetenkreise stand. Großes Aufsehen erregte diese zuerst nicht, denn Sie war offenkundig falsch. Die Planeten bewegten sich auf ganz anderen Bahnen als nach dem Kopernikanischen Modell. Bewegung kam erst als Kepler Anfang des 17 Jahrhunderts die Theorie auf die Basis von Ellipsen stellte, nun konnte man die Planetenbahnen berechnen und Newton lieferte einige Jahre später die mathematische Grundlage dazu. Diese Vorstellung ist auch heute noch gültig, wenn es um unser Planetensystem geht. Raumsonden navigieren mit diesem Modell und haben damit keine Probleme. Alle folgenden Erweiterungen betrafen das was jenseits davon ist.

Erst 1843 konnte man auch berechnen wie weit die Sterne entfernt sind, und damit beweisen, das sie auch Sonnen sind, was man allerdings schon lange vermutet hatte. Anfang dieses Jahrhunderts gelang es schließlich nachzuweisen, das die Galaxien keine Nebel innerhalb unserer Milchstraße sind, sondern eigenständige Milchstraßen. Seit Ende der fünfziger Jahre haben wir auch eine Vorstellung über die Entstehung des Kosmos in einem Urknall, und derzeit streiten sich die Wissenschaftler darüber was im Bruchteil der ersten Sekunde des Urknalls passierte.

Man erkennt daraus, das unsere Erkenntnis sich immer weiter in Raum und Zeit erstreckte, aber die alten Vorstellung nur selten ganz über Bord geworfen werden mussten. Die Modelle ergänzen sich und ersetzen sich nicht. Ähnliches gilt auch für die Erkenntnisse die ja auf Beobachtungen beruhen. Am unumstößlichsten sind Beobachtungen. Wer behauptet der Himmel sei rosa und nicht blau hat ein Problem dies zu beweisen. Jeder Wissenschaftler wird daher sehr verärgert sein, wenn jemand postuliert man könne mit Überlichtgeschwindigkeit reisen, da dies mit allen Beobachtungen kollidiert. Wo bitte ist der Beweis? Aber man sollte sich auch nicht so sehr an den Modellen aufhalten sondern an den Tatsachen und davon geht es in diesem Aufsatz.

Was sind die "Grenzen der Erkenntnis"

Niemand wird behaupten wollen das unsere Modelle der Weisheit letzter Schluss sind, zumal sie immer nur einen Teilaspekt der Wirklichkeit beschreiben. Je weiter man sich von dem sinnlich erfahrbaren entfernt, desto eingeschränkter wird das Modell und desto mehr davon gibt es. Für einen Chemiker z.B. ist ein Elektron mal ein Teilchen, mal eine Ladung, mal eine Welle und mal eine Mischung aus dem allen. Was ein Elektron wirklich ist weis niemand. Trotzdem haben wir in diesem Jahrhundert die Grenzen unserer Erkenntnis kennen gelernt. Darunter verstehe ich Dinge, die unser Streben nach der Suche dahinter begrenzen. Es sind feststehende Tatsachen die eine Frage nach dem dahinter unsinnig machen und auch dafür sorgen das Science Fiction, Science Fiction bleibt. Naturgemäß finden wir diese Grenzen im Unendlich großen, Unendlich kleinen und Unendlich schnellen sowie am Anfang.

Wahrscheinlichkeiten - Warum im Atomaren Bereich der Zufall regiert

Albert Einstein hat die Relativitätstheorie ausgearbeitet, die zwar für seine Zeit bizarre Aussagen ergab, aber doch eine klassische Theorie war. "Klassisch" heißt deterministisch, kontinuierlich, vorhersagbar. Die Zeit mag in der Nähe von Gravitationszentren anders ablaufen, was für unseren Verstand schwer zu begreifen ist, aber es ist berechenbar. Das man Materie in Energie umwandelt ist ebenso schwer denkbar, aber Atom- und Wasserstoffbomben konnten aufgrund der Relativitätstheorie entwickelt werden. Es gibt keine Sprünge in der Relativitätstheorie, das z.B. die Zeit wenn man von Ort X zu Ort Y (direkt neben X) geht plötzlich doppelt so schnell geht ohne das es nicht Zwischenstufen gibt. Das alles in Eigenschaften einer klassischen Theorie.

Im Quantenkosmos - der Welt der kleinsten Teilchen hat die seit der Jahrhundertwende ausgearbeitete Quantentheorie ganz andere Annahmen. Zuerst entdeckte Planck um 1900, das Energie gequantelt ist, d.h. Energie wird nicht in beliebiger Menge abgegeben sondern in vielfachen einer Elementaren Konstante die man heute als Planck-Konstante bezeichnet, fast so als wäre der Quantenkosmos ein Computer der nur Vielfache eines Bits abgibt oder aufnimmt. Damit konnte sich Einstein noch anfreunden, zumal man damit erklären konnte warum Elektronen in Bahnen um den Atomkern kreisen und von einer Bahn zu anderen "springen" - Wenn sie Energie nur in Vielfachen der Menge aufnehmen die man zum Springen von einer Bahn braucht war dies logisch.

Nun begann man in den 20 er und 30 er Jahren einige Probleme zu lösen, die das Bohrsche Atommodell hatte - Es erklärte nicht die Bahnen von Elektronen. Man wusste es gab Orte im Atom, wo sich Elektronen häufiger als anders wo aufhielten und das waren nicht Kugelschalen sondern hantelförmige Gebilde. Elektronen sollten bei Anwendung des Energieerhaltungssatzes Energie abgeben wenn sie um den Atomkern kreisen - und langsam auf ihn stürzen. Das letztere wurde von Heisenberg gelöst und ergab die weiter unten beschriebene Heisenbergsche Unschärferelation. Als man diese nutzte um die Bahnen der Elektronen zu berechnen entdeckten Schrödinger, das man nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit angeben konnte - der genaue Ort eine Elektrons war nicht bestimmbar sondern nur eine Wahrscheinlichkeit es in einem kleinen Raumgebiet zu finden.

Einstein verweigerte sich diesen Gedanken der Quantenmechanik zeitlebens, weil Wahrscheinlichkeiten etwas mit Zufall zu tun haben. Er versuchte zuerst Widersprüche zu finden und als seine Einwände nach und nach entkräftet werden konnten versuchte er eine Theorie zu finden welche die Quantentheorie enthielt, aber kontinuierlich war. So wie ihm dies bei der Relativitätstheorie gelungen war, welche die Newtonsche Theorie als Spezialfall enthielt. Es gelang ihm bis zu seinem Tod nicht.

Schrödingers Katze

Was ist nun an diesen Wahrscheinlichkeiten so problematisch? Nun nehmen wir etwas gut beobachtbares: Der radioaktive Zerfall. Wenn man 1000 Atome eines radioaktiven Elementes beobachtet sind nach einer Halbwertszeit 500 davon zerfallen. Das ganze ist gut berechenbar - für einen Haufen von Atomen, ähnlich wie man das Raumgebiet das ein Elektron innerhalb einer Sekunde durchfliegt sehr genau angeben, kann. Man kann aber weder für ein Atom voraussagen ob es in der nächsten Sekunde oder in 1 Mrd. Jahre zerfällt, noch den genauen Ort eines Elektrons jetzt in dieser Pikosekunde sagen. Nur die Gesamtheit ist statistisch erfassbar. Das gleicht einem Roulette Spiel - Wenn Sie 1 Millionen mal spielen so wissen Sie das alle Zahlen etwa gleich häufig kommen, aber sie können nicht das Ergebnis des nächsten Spiels vorhersagen.

Schrödinger hat diesen Sachverhalt in einem Gedankenexperiment verdeutlicht. In ihm ist in einer Kiste eine Katze, ein radioaktives Atom und eine Mechanik die Gift freisetzt eingeschlossen. Zerfällt das Atom, so wird das Gift freigesetzt und die Katze ist tot, ansonsten lebt die Katze. In unserer Welt hat die Katze zwei definierte Zustände - tot oder lebend. Ist die Kiste aber zu so hat die Katze einen Quantenzustand: Eine Wahrscheinlichkeit von × % das sie noch lebt. Wir können ohne die Kiste zu öffnen nicht sagen ob sie lebt oder nicht sondern nur diese Wahrscheinlichkeit angeben. Wenn wir die Kiste öffnen, so haben wir Gewissheit, aber wir haben auch kein von einem Quantenzustand bestimmtes System mehr.

Grenze 1: Die Heisenbergsche Unschärferelation

Verschmierte Bahn eines Atoms Wir sind es gewohnt immer weiter in das innere der Materie zu schauen. Mit dem Auge erkennt man noch Strukturen von 0.1 mm Größe, mit dem Mikroskop zirka 0.001 mm und mit einem Elektronenmikroskop kommt man auf noch kleinere Dimension, ja mit dem Rastertunnelmikroskop bis an die Atome heran. Gibt es keine Grenze? Doch! Anfang der 30 er Jahre erkannte man, das es eine Grenze gibt die einfach in eine Formel gepresst heißt:

dp * dx >= h

"Ich versteh nur Bahnhof was heißt das?" Nun wenn wir ein Teilchen oder auch eine Ansammlung davon, wie z.B. ein Auto, beobachten beeinflussen wir es. Nehmen wir an, wir "Blitzen" ein Auto bei einer Radarkontrolle. Damit man den genauen Ort und die Geschwindigkeit des Fahrzeuges bestimmen können, senden wir langwellige Radiowellen auf das Fahrzeug zu. Damit aber beschleunigen oder bremsen wir das Fahrzeug ab. Die Wellen übertragen Energie. Bei einem Auto ist das so wenig das man es vernachlässigen kann. Aber bei einem Elektron sieht das anders aus. Wenn wir ein Elektron sehen wollen und dazu Licht nehmen, so stellen wir folgendes fest:

Warum? Nun Licht überträgt Energie. Die Energie von Licht reicht aus um Elektronen aus ihrer Bewegung heraus enorm zu beschleunigen. So stark, das einige das Atom verlassen können. Unsere Beobachtung hat damit das, was wir beobachten wollen verändert. Und dabei haben wir eigentlich gar keine genaue Information über den Ort eines Elektrons bekommen, weil Licht so langwellig ist. Wenn wir Gammastrahlen einsetzen, ja dann wird das Ergebnis viel genauer, denn die sind kurzwelliger! Dumm gelaufen, wenn wir Gammastrahlen einsetzen, reicht die Energie aus um alle Elektronen aus den Atomen zu reisen, chemische Bindungen werden zerstört, bilden sich spontan neu... Kurz alles was wir beobachten wollten ist nun nicht mehr so wie es war.

Die obige Formel drückt dies nur in Zahlen aus. Konkret heißt Sie

Das Produkt aus dem Fehler des Impulses (Masse mal Geschwindigkeit) und dem Fehler des Ortes kann immer nur größer als die Konstante h sein. Da h sehr klein ist (6.67x10-34 ) spielt das im täglichen Leben keine Rolle. Wohl aber für ein Elektron. Nehmen wir an wir wollen den genauen Ort eines Elektrons auf 10x 10-12 m genau wissen (das ist ein Zehntel eines Atomdurchmessers). Wobei ein Elektron 9.1 × 10 -31 kg wiegt. Wie hoch ist dann die Unsicherheit der Geschwindigkeit?

9.1 × 10 -31 * 10-12 * dv >= 6.67x10-34
9.1 × 10 -42 * dv >= 6.67x10-34
dv >= 73.3 × 106 m/s

In diesem Fall hätten wir die Geschwindigkeit leider nur bis auf 24 % der Lichtgeschwindigkeit genau... Nicht gerade eine genaue Messung. Ähnlich sähe es aus, wenn wir die Geschwindigkeit genau haben wollten, eine Geschwindigkeit z.B. auf einen Meter/Sekunde genau würde bedeuten, dass das Elektron irgendwo in einem Umkreis von 0.7 mm zu finden wäre - Für eine Elementarteilchen eine Riesenstrecke.

Und nun kommen wir zum Beemen von Star Trek. Da werden Personen in Atome zerlegt und wieder zusammengesetzt. Wobei man, wenn das klappen sollte, natürlich den genauen Ort eines Atoms feststellen muss. Aufgrund dessen was ich oben erläutert habe geht das aber nicht. Wenn man das machen würde wären nach der Messung alle Atome mit enormer Geschwindigkeit in alle Richtungen fort geflogen. Jemand der ganz schlau ist sagt sich nun "Da messe ich einfach beides zugleich!". Nun zum einen schließen sich die beiden Messungen aus, denn die eine Messung beeinflusst die andere.

Dabei ist dies kein Problem des Messens, sondern eine Eigenschaften der Elementarteilchen, man kann sie einfach nicht genauer als bis zu einem bestimmten Grad beschreiben. Eine der Folge davon sind die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten die weiter unten beschrieben sind.

Grenze Nr.2 Die kleinen Teilchen oder was ist ein Elektron?

Zum anderen aber haben Elementarteilchen noch einen anderen Trick auf Lager. Wir sagen immer ein Elektron ist ein Teilchen, aber das ist eben nur ein Modell. Experimentell hat man zumindest festgestellt, das Elektronen keinen Durchmesser haben den man messen könnte (im Gegensatz zu Protonen oder Quarks), also der Vergleich mit dem Teilchen hinkt schon. Zudem ist das Elektron aber auch eine Welle, wenn man das Experiment so wählt, das es Wellen anzeigt. Ja was nun Teilchen oder Welle? Beides! Denn es sind nur Vorstellungen die wir über das Elektron haben, was ein Elektron tatsächlich ist weis niemand. Ganz schlaue wollten, das sich das Elektron festlegt. In einem Experiment wurde ein einzelnes Elektron zuerst als Teilchen vermessen und später als Welle. Hätte man das Elektron festlegen können, was es ist, so wäre nur je eine Messung möglich gewesen, aber beide Messungen gingen. Je nachdem was der Experimentator wollte hat sich das Elektron mal als Teilchen und mal als Welle gezeigt. Dabei bringt es so schöne Dinge zuwege wie zugleich durch 2 Spalten als Teilchen zu fliegen...

Das ganze gilt auch für andere Teilchen. Wenn wir in einen Atomkern schauen so entdecken wir ganz verrückte Dinge, da gibt es Teilchen die sich ganz frei bewegen bis sie eine bestimmte Entfernung haben, Eigenschaften die man nicht mehr sinnlich erfahren kann, und die man "Farbe" nennt, nicht weil die Teilchen farbig wären sondern weil Sie entweder eine Farbe und eine Antifarbe oder gleich 3 verschiedene Farben haben... jedoch nicht nur eine oder zwei Farben... Wir haben hier Probleme mit dem Verständnis, weil die Begriffsbilder aus unserem Alltag nicht mehr anwendbar sind. Elektronen sind Träger von elektrischen Ladungen, haben aber keinen Durchmesser, woraus man folgern kann, das sie ein elektrischen Feld mit einer Unendlichen Feldstärke besitzen, was wiederum nicht geht...

Licht

Über Licht wird noch in Teil 2 genauer zu sprechen sein. Doch hier sei schon bemerkt, das Licht für viele schwer verständlich ist. Zum einen ist da natürlich die Lichtgeschwindigkeit. Zum Leidwesen der Science-Fiction Anhänger kann nichts schneller als das Licht sein - immerhin 299792.458 km/sec. Aber noch seltsamer: Licht kann auch nicht langsamer sein. Licht hat immer nur dieselbe Geschwindigkeit (zumindest im Vakuum). Sie ist so konstant, das man sie mittlerweile nutzt um damit die Länge eines Meters durch eine physikalische Konstante zu ersetzen (anstatt ein Urmeter in einem Safe zu verwenden). Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit hat Licht mit anderen Wellen gemein. Wie Wellen hat es auch eine Wellenlänge - sichtbares Licht z.B. eine solche von 380-680 nm. Wie Wellen kann es durch Linsen gebeugt oder durch Prismen gespalten werden.

Andererseits verhält sich Licht wie Teilchen: Der Photoeffekt, für den Einstein den Nobelpreis bekam und auf dem Solarzellen basiert, lässt sich nur durch die Teilchennatur von Licht erklären: Lichtteilchen treffen auf Elektronen und beschleunigen sie. Die Krümmung von Lichtstrahlen durch Massen wie sie bei Gravitationslinsen vorkommt kann man mit der Ablenkung von Teilchen durch eine Masse beschreiben. Dabei hat Licht keine Masse, trägt aber doch Energie, die Energie der Hintergrundstrahlung ist aber im Laufe der Jahrmilliarden kleiner geworden, weil sich der Weltraum gedehnt hat und damit die Wellenlänge der Strahlung anstieg. Kurzum: In dem Gebiet des Welle-Teilchen Dualismus ist das Elektron noch ein relativ braves Teilchen. Licht dagegen ist erheblich schwerer verstandesmäßig zu erfassen.

Das Tunneln

Auch dies - die Natur des Elektrons ist eine Grenze der Erkenntnis, denn wir können offensichtlich nicht seine Natur beschreiben, ja nicht einmal seine Bahn im Atom, sondern nur eine "Aufenthaltswahrscheinlichkeit", das ist etwa so, wie wenn mich jemand fragt "Ist xy zuhause" und ich sage "zu 69 %", aber nicht weil ich es nicht weis, sondern weil in einem bestimmten Augenblick xy da sein kann oder eben nicht, wenn ich die Zeiten zusammenrechne kann ich eine bestimmte Wahrscheinlichkeit angeben. Dasselbe gilt für die Bahn die ein Elektron um einen Atomkern beschreibt. Chemiker zeigen einem dann schöne Diagramme die Hantelform haben und sagen das ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons. Will heißen zu 99 % seiner Zeit ist es in diesem Raum zu finden, zu 1% seiner Zeit auch darüber hinaus und zu einem ganz kleinen Prozentsatz sogar auf dem Mond. Manchmal liegen zwischen solchen "Orbits" auch Zonen in denen das Elektron nie und nimmer ist. Dann bringt es das Kunststück fertig diesen Zwischenraum zu durchwandern ohne sich in Ihm aufzuhalten, es springt gewissermaßen von einem Orbit in den nächsten. Dieses im allgemeinen auch "Tunneln" genannte Verfahren gibt es auch bei anderen Elementarteilchen.

Das ganze ist etwa so erstaunlich wie wenn Sie eine Katze in einen Käfig mit 100 m hohen Zäunen einsperren und in einem Augenblick ist Sie draußen ohne das sie nur in der Nähe des Zaunes gesehen haben! Teilchen (und Wellen) können Hindernisse durchtunneln, die Sie normalerweise nicht überwinden können.

Für die Teilchen eines Atomkernes z.B. ist die Anziehungskraft der anderen Kernteilchen eine solche Grenze. Um diese zu überwinden braucht ein Kernteilchen sehr viel Energie. Berechnet man diese so wird klar, das ein normales Kernteilchen niemals soviel Energie hat, genauso wenig wie eine Katze einen 100 m Satz machen kann. Trotzdem können Neutronen einen Atomkern verlassen, wobei sie dafür keine Zeit brauchen und danach bei weitem nicht die Energie aufweisen, die ausreichen würde um diese Barriere der Anziehungskräfte zu überwinden. Man spricht dann davon, das sie die Barriere durchtunneln oder vom Tunneleffekt. Dieser Effekt ist in der Natur gar nicht mal so selten. Der radioaktive Zerfall beruht z.B. darauf.

Und nun weiter zu den Rätsel des Kosmos - schwarzen Löchern, dem Wärmetod des Universums und dem Urknall in Teil 2.


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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