Gedanken und Fakten zum Thema: Materie und Energie
Der Geist aus der Flasche – oder – Wurde die bezaubernde Jeannie einfach nur tiefgekühlt?
Wie kann ein ganzer Mensch in eine Flasche eingesperrt werden und wie kann er sich nach Öffnen der Flasche wieder zu voller Größe materialisieren? https://www.youtube.com/watch?v=F41Y37XTZck
Wie wir wissen, ist der kleinste Baustein der Materie das Atom, das haben die alten Griechen so definiert.
Ein Atom besteht aus einem sehr kleinen Atomkern und einer Hülle.
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. In der Atomhülle halten sich die Elektronen auf. So weit, so gut. Auch die bezaubernde Jeannie besteht aus Atomen, im Durchschnitt besteht ein Mensch (70 kg) aus ca. 6,7 x 10 hoch 27 Atomen. Das ist ganz schön viel.
Der Durchmesser eines Atoms liegt im m Bereich von 10 hoch -10 m, so ein Atom ist also extrem klein. Der Atomkern befindet sich im Zentrum des Atoms; sein Durchmesser beträgt etwa 1⁄20.000 bis 1⁄150.000 des Durchmessers der Elektronenhülle. Diese Zahl ist so unvorstellbar klein, dass man sich dies nur anhand eines Bildes vorstellen kann: Wäre der Atomkern so groß wie eine Kugel mit einem Durchmesser von 1 cm, würden die Elektronen ihn im Abstand von 1 km umkreisen.
Die Protonen und Neutronen im Atomkern haben eine Masse, die Masse von Elektronen ist dagegen nahezu null.
Der Atomkern hat einen 20.000 bis 150.000 mal kleineren Durchmesser als die Atomhülle, beherbergt aber mehr als 99,9 Prozent der Masse des gesamten Atoms.
Protonen und Neutronen (Nukleonen) bestehen wiederum aus noch kleineren Bausteinen, aus Quarks. Quarks sind Elementarteilchen und fundamentale Bestandteile unserer Materie. Die sechs bekannten Sorten von Quarks haben sehr unterschiedliche Massen.
Atomkerne sind somit extrem klein und extrem schwer.
Nun wird es aber gespenstisch: Die Quarks werden als punktförmige Entitäten betrachtet, mit einer Größe von Null. Bislang konnten keine Hinweise für eine von Null abweichende Größe gefunden werden. Experimentelle Befunde liefern eine obere Grenze von 10 hoch−19 m, was dem 10 hoch−4-Fachen der Größe eines Protons entspricht.
Demnach können wir festhalten:
Atome bestehen zu 99,9% nicht aus Materie, aber der Atomkern ist extrem schwer. Die Masse wird durch Quarks im Atomkern erzeugt, die allerdings noch mal deutlich kleiner sind als der ohnehin schon kleine Atomkern. Der Raum zwischen den Elektronen und dem Atomkern ist „leer“. Die Masseteilchen (Quarks) in den Kernteilchen sind auch nur punktförmig.
Was ist denn nun Masse? Die Physik sagt: Die Masse ist eine Eigenschaft der Materie. Sie bestimmt die Trägheit, mit der der Bewegungszustand des Körpers auf von außen einwirkende Kräfte reagiert. Nach Einstein – auch das wissen wir ja aus der Schule – ist Masse gleich Energie/Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat (e = mc2).
Hm. Das ist alles nicht wirklich handfest. Woraus besteht denn die bezaubernde Jeannie? Aus Fleisch und Blut, also Materie? Auch wenn sie sicher keine 70 kg auf die Waage bringt, hat sie es geschafft, sich in eine Wolke zu verwandeln und in einer Flasche zu verschwinden. Und die Flasche mit Inhalt war sicherlich auch nicht sehr schwer, sonst hätte sie der Astronaut Tony nicht so einfach heben können.
Materie hat nur den uns bekannten Zustand, wenn die Atome in Bewegung, in Schwingung sind. Kommen die Atome zum Stillstand, löst sich die uns bekannte Materie auf. Und wie kann man das erreichen? Tielkühlen!
Die tiefste mögliche Temperatur, die nur theoretisch erreicht und nicht unterschritten werden kann, nennt man den „absoluten Nullpunkt“. Dieser absolute Nullpunkt definiert den Ursprung der absoluten Temperaturskala und wird als 0 Kelvin festgelegt, das ist gleich −273,15 Grad Celsius.
Bei dieser Kälte vernetzen sich Atome, die vorher eigenständig waren, zu einem einzelnen Quantenzustand und bilden ein „Quantengas“, eine neue Form der Materie. Einzelne Teilchen sind nun nicht mehr zu unterscheiden, denn sie bilden eine einzelne, makroskopische Materiewelle.
Kühlt man also Atome extrem ab, gehen alle Elementarteilchen in einen anderen Aggregatzustand über und weisen dann ununterscheidbare quantenmechanische Zustände auf. Dies nennt man das „Bose-Einstein-Kondensat“.
Mit anderen Worten: Wenn man Materie tiefkühlt (also nahe an den absoluten Nullpunkt bringt), entsteht eine „gewichtslose Wolke“. Aber die bezaubernde Jeannie ist ja nun alles andere als unterkühlt, dennoch hat sie sich offensichtlich in diese gewichtslose Wolke verwandeln können. Wie hat sie das nur gemacht?
Nun, offensichtlich haben die Fähigkeiten von Jeannie schon damals bei der NASA für reichlich Stirnrunzeln gesorgt. Bis heute wird daher an dieser De- und Wieder-Materialisierung geforscht:
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) hat die für Experimente im Verbundprojekt Quantus IV – MAIUS (Maius-II) benötigten Laserquellen entwickelt und realisiert. Die Mission MAIUS-2 ist eine erfolgreiche Höhenforschungsmission, die am 2. Dezember 2023 von Kiruna, Schweden, aus in den Weltraum startete. An Bord der Rakete wurden rund 75 Experimente zur Untersuchung von Mischungen aus sogenannten Bose-Einstein-Kondensaten durchgeführt.
Vielleicht gelingt es den Forschen dabei, die eine oder andere bezaubernde Entdeckung zu machen, die den Geist der Menschheit befreit.
Übrigens gibt es noch weitere Forschungsprojekte zum Thema Materie und Energie: Die Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und das Münchner Start-up-Unternehmen Marvel Fusion GmbH haben eine Kooperationsvereinbarung im Bereich der Laserforschung in Garching unterzeichnet.
Gegenstand der geplanten Zusammenarbeit ist die gemeinsame Erforschung des von Marvel Fusion entwickelten neuen Ansatzes zur laserbasierten Kernfusion. Sie soll künftig eine sichere, saubere und zuverlässige Energieversorgung ermöglichen. Die Kooperation, die vom Freistaat Bayern mit 2,5 Millionen Euro unterstützt wird, umfasst auch die Aufwertung eines der weltweit leistungsfähigsten Lasersysteme an der LMU.
Vertiefende Quellen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Atomkern
https://www.leifiphysik.de/atomphysik/atomaufbau/aufgabe/aus-wie-vielen-atomen-besteht-ein-mensch
https://de.wikipedia.org/wiki/Proton
https://de.wikipedia.org/wiki/Kernphysik
https://de.wikipedia.org/wiki/Quark_(Physik)
https://de.wikipedia.org/wiki/Masse_(Physik)
https://de.wikipedia.org/wiki/Absoluter_Nullpunkt
https://de.wikipedia.org/wiki/Bose-Einstein-Kondensat
Ein Artikel von Dr. Kristine Haußner