Faszinierende Physik

Wie sind Sonne, Mond und Sterne entstanden? Was sind planetarische Nebel und wie groß sind Monstersterne? Diese Fragen können Physiker heute – nach Jahrhunderten der Erforschung des Sternenhimmels und der Naturgesetze – recht genau beantworten. Der Sternenhimmel hat zu allen Zeiten eine große Faszination auf Menschen ausgeübt, und oft wurde er mythisch interpretiert – oder ganz praktisch als Navigationshilfe oder zur Bestimmung der Jahreszeiten genutzt. Mit der Erfindung des Fernrohrs vor rund 400 Jahren verstanden Forscher jedoch zunehmend besser, was sich hinter den Beobachtungen am Himmel verbarg: Sterne, wie unsere Sonne, erwiesen sich dabei als glühende Gaskugeln; Planeten hingegen als Himmelskörper, die – wie unsere Erde – ihre Sonne auf elliptischen Bahnen umrunden. Mit der Zeit entdeckte der Mensch, dass auch Sterne nicht ewig leuchten: Sie werden in Gas- und Staubwolken geboren, leben zwischen einigen Millionen und vielen Milliarden Jahre lang und beschließen ihr Leben mit einem Aufflackern oder in einer Supernova-Explosion.

Was haben ein Magnet, ein elektrisch aufgeladenes Katzenfell und Licht gemeinsam? Viel mehr als man zunächst meinen möchte. Denn Licht, Ladung und Magnetismus sind eng miteinander verbunden. So gehen beispielsweise von elektrischen Strömen Magnetfelder aus – und umgekehrt entsteht in einem sich durch ein Magnetfeld bewegenden Leiter ein elektrischer Strom: Das eine bedingt das andere. Physiker wissen heute, dass elektrische und magnetische Phänomene verschiedene Aspekte einer einzigen physikalischen Kraft sind: der elektromagnetischen Wechselwirkung. Diese ist eine der vier Grundkräfte der Natur − die anderen drei Grundkräfte sind die Gravitation sowie die starke und die schwache Wechselwirkung, die wir später in diesem Buch noch kennenlernen. Mithilfe der Theorie des Elektromagnetismus und der Optik können wir heute verstehen, wie Radiowellen durch eine Antenne aufgefangen werden, wie Blitze in einer Gewitterwolke entstehen oder warum wir in einer heißen Wüste eine Fata Morgana beobachten. Auch den Regenbogen und neuartige Materialien, die uns unsichtbar machen könnten, haben etwas mit dem Elektromagnetismus zu tun – und werden in diesem Kapitel genauer unter die Lupe genommen.

Warum fliegt ein Flugzeug? Wie reinigt sich ein Lotusblatt selbst, und warum vergeht die Zeit nur in eine Richtung? Diese und weitere Fragen lassen sich im Rahmen der klassischen und der statistischen Mechanik beantworten, um die es in diesem Kapitel gehen soll. Ist es nicht seltsam, dass wir Menschen die mechanischen Bewegungsgesetze, nach denen sich ein hochgeworfener Stein oder die Teile einer Maschine bewegen, erst im siebzehnten Jahrhundert entdeckt haben? Warum war es so schwierig, die wahre Natur der Bewegungen zu entdecken? Der Grund dafür liegt darin, dass wir hier auf der Erde die elementare Grundform der Bewegung nicht erleben. Denn jede Bewegung in unserer Umgebung unterliegt den verschiedensten Einflüssen, insbesondere der Schwerkraft und der Reibung. Im Weltraum hingegen erleben wir, wie Bewegung in ihrer Reinform aussieht: nämlich geradlinig-gleichförmig. Hier ändert ein Objekt weder den Betrag noch die Richtung seiner Geschwindigkeit und bewegt sich unverändert weiter, solange keine äußeren Einflüsse auf den Körper wirken. Wirkt dagegen ein äußerer Einfluss – also eine Kraft – auf den Körper, so verändert sich seine Geschwindigkeit; er wird beschleunigt.

Was bedeutet E = mc²? Wie können wir uns rotierende schwarze Löcher vorstellen? Und wie funktioniert das GPS? Diese und andere spannende Fragen lassen sich mithilfe der Speziellen und der Allgemeinen Relativitätstheorie beantworten, die Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts formuliert hat. Die Grundlage der Speziellen Relativitätstheorie ist der Gedanke, dass Licht immer gleich schnell ist – ganz gleich, wie schnell man sich selbst bewegt. Das ist überraschend – denn es bedeutet, dass wir Licht nie einholen können. Aus dieser Tatsache ergeben sich viele verblüffende Konsequenzen. In Einsteins 1915 erschienener Allgemeiner Relativitätstheorie wurde auch die Gravitation mit einbezogen – eine Meisterleistung an physikalischer Einsicht und mathematischer Eleganz, die bis heute ihresgleichen sucht. In dieser Theorie wird deutlich, wie Gravitationskräfte durch die Krümmung von Raum und Zeit entstehen – und wie wiederum der Raum gekrümmt wird durch Materie und Energie. Isaac Newton wäre sicher sehr erstaunt darüber gewesen, was aus seinem Gravitationsgesetz geworden ist! Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt selbst bizarre Objekte wie Wurmlöcher und macht gar einen futuristischen Warp- Antrieb denkbar. Was Albert Einstein wohl zu einer Folge von Star Trek gesagt hätte?

Wie tief in den Raum können wir blicken? Und wie weit zurück in der Zeit? Wie ist das Universum entstanden, und was können wir aus der kosmischen Hintergrundstrahlung herauslesen? Mit solchen Fragen und dem Blick auf die großen Strukturen im Kosmos beschäftigt sich die Kosmologie. Eines der weithin berühmtesten Modelle der Kosmologie ist der Urknall – eine Theorie, die 1964 eine eindrucksvolle Bestätigung erhielt, als zufällig eine schwache Wärmestrahlung von knapp 3 Kelvin entdeckt wurde, die unser Universum durchdringt und uns von jeder Stelle des Himmels erreicht: die kosmische Hintergrundstrahlung. Sie stammt aus der Frühzeit des Universums, als dieses erst rund 380 000 Jahre alt und noch rund 3000 Kelvin heiß war. In den folgenden Jahrzehnten haben Physiker das Universum mit stets wachsender Präzision vermessen und eine sehr gute Vorstellung davon entwickelt, wie es aussieht und wie es sich in den knapp 14 Milliarden Jahren seit dem Urknall entwickelt hat. Und doch bleiben noch viele Rätsel bestehen: Wir wissen, dass Atome nur rund 5 % der Materie im Universum ausmachen können. Woraus besteht der Rest? Derzeitige Theorien gehen davon aus, dass schwere noch unbekannte Teilchen (dunkle Materie genannt) mit 25 % den Raum durchdringen und dass vermutlich eine rätselhafte dunkle Energie die restlichen 70 % der Materie bereitstellt. Damit müssen wir allerdings auch zugeben, dass uns noch 95 % der Materie im Universum unbekannt sind – es warten also noch einige Überraschungen auf uns!

Was ist die Wellenfunktion und was die Unschärferelation? Was ist das Quantenvakuum und wie verhalten sich Supraflüssigkeiten? Und werden wir bald Quantencomputer verwenden? Diese und andere Fragen lassen sich mithilfe der Quantenmechanik behandeln und teilweise auch beantworten. Die Quantenmechanik verblüfft uns bis heute mit ihren vielen rätselhaften Facetten. Da verhalten sich Teilchen wie Wellen und Wellen wie Teilchen, da nehmen Elektronen scheinbar mehrere Wege auf einmal, und das Vakuum ist nicht mehr leer. Teilchen überwinden Barrieren, obwohl sie eigentlich nicht genügend Energie dafür haben, und der Zufall entpuppt sich als fundamentales Prinzip der Natur. Unsere klassische Intuition wird hier auf den Kopf gestellt. In diesem Teil des Buches schauen wir uns an, warum Materie stabil ist, was der Spin des Elektrons ist und warum er sich nur sehr unvollständig als Eigenrotation verstehen lässt. Auch makroskopische Phänomene wie Supraleitung oder Suprafluidität wollen wir vorstellen. Nicht zuletzt werden wir den Laser genauer betrachten und auch den Quantencomputer. Alle diese Phänomene lassen sich mit der Quantenmechanik präzise beschreiben − doch was die Quantenmechanik für unser Verständnis der physikalischen Realität bedeutet, darüber herrscht auch fast einhundert Jahre nach ihrer Entstehung noch keine Einigkeit.

Woraus besteht Materie? Was ist das Higgs-Teilchen, was Antimaterie und was genau erforscht man am großen Beschleuniger LHC? Diese Fragen betreffen die Welt der Elementarteilchen. Auf diesem Gebiet haben Physiker in den vergangenen Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Nachdem man zu Beginn des vergangenen Jahrhunderts gelernt hatte, dass Atome nicht unteilbar sind, zeigten sich zunehmend weitere Substrukturen. Heute gehen Physiker davon aus, dass das sogenannte „Standardmodell der Elementarteilchen“ alle Teilchen beschreibt, aus denen die uns bekannte Materie aufgebaut ist. Dazu gehören einmal die Quarks, aus denen beispielsweise Protonen und Neutronen bestehen. Dann aber auch das Elektron und seine schwereren Geschwister, das Myon und das Tauon, sowie die fast masselosen Neutrinos. Zwischen diesen Teilchen wirken dazu noch drei Wechselwirkungen, die quantenmechanisch durch Austauschteilchen repräsentiert werden: die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung. Lediglich die Gravitation bleibt im Standardmodell außen vor, da sie sich in einer reinen Teilchentheorie nicht gut mit der Quantenmechanik vereinbaren lässt. Gekrönt wurde das Standardmodell durch den Nachweis des Higgs-Teilchens im Sommer 2012 am Large Hadron Collider LHC bei Genf. Dieses Teilchen ist gleichsam der Klebstoff, der das gesamte Modell mit seinen drei Wechselwirkungen zusammenhält und für die Massen der Quarks und Leptonen verantwortlich ist – seine Vorhersage in den 1960er Jahren und seine Entdeckung rund 45 Jahre später ist ein Triumph der modernen Physik!

Was haben die Kirchenfenster von Chagall mit Nanoteilchen zu tun? Welche Kristallgitter gibt es, und was sind Quasikristalle? Und wie funktionieren Leuchtdioden? Festkörper sind ein spannendes Forschungsgebiet der Physik. Während in einem einzelnen Atom das Verhältnis zwischen Atomkern und Elektronen klar geregelt ist – ein Kern in der Mitte, die Elektronen bewegen sich um ihn herum – sieht es in größeren Verbänden von vielen Atomen schon anders aus. In solchen Festkörpern können Elektronen von Kern zu Kern gereicht werden, sich mit anderen Elektronen zusammenschließen oder sich gar – ganz den Gesetzen der Quantenmechanik folgend – über einen großen Bereich ausdehnen, sodass ihr exakter Aufenthaltsort fast völlig unbestimmt ist. Es ist dieses vielfältige Verhalten, das Kristallen und anderen Festkörpern ihre mannigfaltigen Eigenschaften verleiht. Ob es nun die besondere Festigkeit von Diamant oder die elektrische Leitfähigkeit von Eisen ist oder die Tatsache, dass Strom in bestimmten Materialien nur in eine Richtung fließen kann oder dass die brillante Leuchtkraft der Kirchenfenster von Chagall durch Plasmonenanregungen zustande kommt – all dies ist auf die Vielseitigkeit der Elektronen in diesen Stoffen zurückzuführen. In diesem Kapitel werden wir einige der spannendsten Festkörperthemen kurz vorstellen.

Wie entstehen Polarlichter? Wie kommt es, dass alle Ozeanböden jünger als 200 Millionen Jahre sind, während die Gesteine der Kontinente ein Alter von bis zu 4 Milliarden Jahren aufweisen können? Und wie kann es sein, dass unsere Erde in manchen Zeitaltern vollkommen eisfrei war? Erst seit wir die innere Struktur der Erde entschlüsselt haben, ist in den letzten Jahrzehnten eine umfassende Antwort auf solche und weitere Fragen gelungen. Forscher haben dabei entdeckt, dass das Innere unserer Erdkugel dreigeteilt ist, ganz ähnlich wie bei einem Hühnerei: Das Eigelb entspricht dem Erdkern, in dessen glutflüssiger Eisenschmelze das Erdmagnetfeld entsteht. Das Eiweiß entspricht dem Erdmantel, der weitgehend fest und zugleich zähplastisch ist, sodass sich in ihm wie bei einem Gletscher sehr langsame Strömungen entwickeln können, die sich bis zur Erdkruste − die der Eierschale entspricht − auswirken und diese in Bewegung versetzen. Unsere Erde ist daher – anders als beispielsweise der Mond − ein sehr dynamischer Planet: Ständig entsteht an den Mittelozeanischen Rücken neuer Meeresboden, während an den Tiefseegräben älterer Meeresboden wieder in den Erdmantel absinkt. Die Kontinente werden von dieser Bewegung mitgenommen, reißen auseinander und kollidieren wieder miteinander. Und manchmal kommt es dabei vor, dass die Zufuhr warmer Meeresströmungen zu den Polen behindert wird – eine Grundvoraussetzung für die Entstehung von Eiszeiten, die seit einigen Jahrmillionen wieder einmal erfüllt ist.

Was ist die Stringtheorie, was das holografische Prinzip – und leben wir in einem Multiversum? Wie genau kennen wir heute die Gesetze der Physik? Wissen wir bereits, was die Welt im Innersten zusammenhält? Die Physik hat in den vergangenen Jahrzehnten und Jahrhunderten große Fortschritte gemacht und viel erreicht. Aber noch immer gibt es keine physikalische Theorie, die alle vier Grundkräfte umfasst und zugleich sowohl die Quantenmechanik als auch die Relativitätstheorie berücksichtigt. Außerdem wissen wir aus der Kosmologie, dass unser Universum große Mengen dunkler Materie enthalten muss und dass der scheinbare leere Raum eine geheimnisvolle dunkle Energie zu besitzen scheint, die unser Universum beschleunigt expandieren lässt. Woraus beide bestehen, bleibt jedoch ein Rätsel: Weder dunkle Materie noch dunkle Energie können aus Quarks oder Leptonen bestehen, sodass das Standardmodell hier nichts beitragen kann. Das Kapitel „Grenzen des Wissens“ stellt die aussichtsreichsten Ansätze vor, um diese Probleme zu lösen und einen Schritt in Richtung einer allumfassenden physikalischen Theorie – oft „Weltformel“ genannt – voranzukommen. Dabei zeigt sich, dass alle diese Ansätze auf eine Welt hinauslaufen, die deutlich umfassender ist als das dreidimensionale Universum, das wir heute kennen. Raum und Zeit erhalten eine körnige, blasenartige Struktur, verborgene Raumdimensionen treten auf und das holografische Prinzip legt nahe, dass unsere Welt eine hologrammartige Struktur aufweisen könnte.