Klang (Ton) ist gewisser als „Zeit“ und „Materie“

Ganze Welten und Weltgebäude zuscheinbar gesicherter Erkenntnisse sind in den letzten

Jahrzehnten zusammengebrochen. Zeit und Materie bildeten das Fundament: exakt,

wiegbar, messbar, berechenbar – das Sicherste, was wir hatten. Heute steht die

theoretische Physik vor dem Trümmerhaufen was Zeit und Materie einmal gewesen sind.

Seit Einsteins spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie wissen wir um den illusorischen,

„krückenhaften“ Charakter von Zeit. Wir wissen, dass es Ereignisse gibt, die von einem

bestimmten Standpunkt aus als gleichzeitig erscheinen können, während sie sich von

Beobachtungspunkten aus als Folgeerscheinungen darstellen, die von der Vergangenheit

über die Gegenwart in die Zukunft führen.

Noch stärker zeigen sich Zeitprobleme in der Teilchenphysik. Die Wissenschaftler versuchen

immer kleinere elementaren Teilchen zu finden. Die heissen dann Quarks, Leptonen,

Gluonen,…..bis zum Higgs Boson und den Strings. Die entdeckten Teilchen existierten

teilweise nur für Taustendstelsekunden und zerfielen danach in Kleinere oder

verwandelten sich in Wellen oder Energie.

Die kleinsten Partikel des Universums sind so winzig, dass sie keine Größe haben

Elementarphysiker am Fermi-Labor versuchen die neuesten Win-zigkeiten unserer Welt aufzuspüren, die so klein sind, dass sie nicht einmal durch eine Teilchen-Kollision reproduziert werden können.

Die Geschichte der kleinsten Teilchen reicht weit zurück und ist angenehm physikalisch Seit der ersten Analyse von Molekülen im 18. Jahrhundert, wurden die kleinsten bekannten Elemente von Atomen über Elektronen bis zu den Elementarteilchen wie Quarks und Leptonen immer wieder ein Stückchen winziger.

Auch heute sind die Forscher noch lange nicht beim Nano-Kern der Sache angekommen. Denn die Frage nach dem kleinsten der Kleinsten ist nicht gerade einfach zu beantworten. Dr. Andy Par-ker Physiker an der University of Cambridge erklärt: „Elementarteilchen haben keine messbaren Größen. Physiker bezeichnen sie als punktartig, was aussagen soll, das bisher keine Form ausfin-dig gemacht werden konnte."

Die Huffington Post ist jetzt in investigativer Galileo-Manier der Suche nach dem Mikrodings nachgegangen. In einem Video ihrer Serie „Talk Nerdy To Me" haben sie die Forschung im Fermi-Labor besucht, wo Elementarphysiker versuchen, die neuesten kleinsten Partikel des Uni-versums zu finden. Was sie suchen ist so klein, dass es auch nicht durch Kollisionen extrahiert werden kann.

https://motherboard.vice.com/de/article/53de73/das-kleinste-teil-im-universu

In tief unter der Erde liegenden Laboren wie dem Fermi National Accelarator Laboratory bei Chicago und dem Cern forschen die Wissenschaftler nach den Ursprüngen des Universums und den Dingen, die alles zusammen halten.

Die Methode, mit der die Forscher Teilchen in ihre Bestandteile zerkleinern klingt erst einmal ziemlich simpel, denn die Partikel werden auf Kollisionskurs gebracht und mit rasanter Ge-schwindigkeit zu einem Zusammenstoß geführt, welcher sie zerbersten lassen soll. Die Abspal-tungen sind im besten Fall neue, kleinere Teilchen als die vorherigen.

http://www.huffingtonpost.com/2014/08/11/smallest-thing-in-universe-video_n_5613830.htmlhttps://motherboard.vice.com/de/article/53de73/das-kleinste-teil-im-universuhttp://www.fnal.gov/http://home.web.cern.ch/

Large Hadron Collider—der Kollisionstunnel im Cern. Bild: Julian Herzog; Wikipedia | Lizenz: CC BY-SA 3.0

Bei der Kollision von zwei Protonen entsteht ein Higgs-Boson. Bild: Lucas Taylor CERN; Wiki-media | Lizenz: CC BY-SA 3.0

Auf diese Weise wurde vor zwei Jahren auch das Higgs-Boson entdeckt, welches durch seine Neuartigkeit zeigt, dass wir erst an der Oberfläche der Winzigkeiten kratzen. Den theoretischen Grundstein für dieses Teilchen legte der Physiker Peter Higgs schon in den 1960ern, doch erst 2012 konnte die Existenz dieses extrem kurzlebigen, elektrisch neutralen Elementarteilchens am CERN belegt werden.„Wir lassen sie mit immer höherer Energie zusammenprallen, um sie in noch kleinere Partikel zu zerspalten. Doch mit einigen Teilen war uns das bis jetzt einfach nicht möglich", so Dr. Joe Lykken, stellvertretender Direktor des Fermi Lab.

http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Julian_Herzoghttp://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson#mediaviewer/File:CERN_LHC_Tunnel1.jpghttp://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CMS_Higgs-event.jpghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:CMS_Higgs-event.jpghttp://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.enhttp://de.wikipedia.org/wiki/Higgs-Boson

Standartmodell der Elementarteilchen in einer Darstellung des Fermi Lab. Bild: FERMILAB, Wiki-media | Lizenz: Public Domain

Die allerkleinsten Partikel müssen jedoch so winzig sein, dass sie selbst für eine Kollision, egal wie kraftvoll, zu klein sind. Und sie müssen kleiner sein als jegliche Elementarteilchen, was be-deutet: kleiner als 0,0000000000000000001m. Physiker nehmen an, dass ihre einzige sinnvolle Daseinsberechtigung auf die Stringtheorie zurückzuführen ist. Die Stringtheorie geht davon aus, dass die Partikel nicht wie bisher angenommen als Teilchen im Sinne von Punkten aufgebaut sind, sondern vibrierende, eindimensionale Objekte, soge-nannte Strings sind. Ihre Größenordnung wird in Plancklänge gemessen, welche um den Faktor 10 hoch 20 kleiner als der Durchmesser eines Protons ist. Wenn ein Atom auf die Größe unseres Sonnensystems aufgebläht würde, wäre ein String lediglich ein Baum darin. Eine Größe, die eigentlich nicht messbar ist.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_From_Fermi_Lab.jpghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_From_Fermi_Lab.jpghttp://en.wikipedia.org/wiki/Public_domainhttp://de.wikipedia.org/wiki/Stringtheorie

Bild: MISS MJ, Wikipedia | Lizenz: CC BY 3.0

Die Grafik oben zeigt verschiedene Stadien der Vergrößerung:

1. Makroskopisch: Gegenstand

2. Molekular

3. Atomar: Protonen, Neutronen, Elektronen

4. Subatomar: Elektron

5. Subatomar: Quarks

6. Strings

http://commons.wikimedia.org/wiki/User:MissMJhttp://en.wikipedia.org/wiki/String_theory#mediaviewer/File:String_theory.svghttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

„Ich denke, das bringt uns in eine ähnliche Situation wie zu Beginn des 20. Jahrhunderts als den Menschen plötzlich Einblicke ins Innere von Atomen gewährt wurden und es klar war, dass es dort noch viel mehr Teilchen zu geben schien.", so Dr. Joe Lykken. „Es gab plötzlich alle mögli-chen Experimente, die vorgenommen werden konnten und die völlig neue Welten eröffneten, die sich bisher niemand vorzustellen wagte."

Physiker spalten erstmals das Unspaltbare Von Norbert Lossau | Veröffentlicht am 21.04.2012 | Lesedauer: 4 Minuten

Wissenschaftler haben entdeckt, dass sich Elektronen scheinbar in Teilchen mit verschiedenen Eigenschaften aufspalten. Dazu

müssen die Elektronen aber eindimensional eingesperrt werden. Die Entdeckung könnte für die Nanoelektronik und für das Ver-

ständnis von Supraleitern von großer Bedeutung sein

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)/Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)

http://www.welt.de/autor/norbert-lossau/

Bis zur Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938 galt das Atom als kleinste, nicht spaltbare Ein-

heit der Materie. Doch jetzt haben Physiker beobachtet, dass sich auch Elektronen aufspalten kön-

nen.

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Früher nutzten Physiker den Begriff "Elementarteilchen". Heute sprechen sie lie-ber nur von Teilchen, wenn es zum Beispiel um Protonen, Neutronen oder Elektronen

geht. Ihnen ist zwischenzeitlich klar geworden, dass man mit dem Attribut "elementar"

sehr vorsichtig sein muss.

So hielt man das Proton für ein elementares Teilchen, bis man entdeckte, dass es sich

aus drei sogenannten Quarks zusammensetzt. Zwar ist es bis heute nicht gelungen, freie

Quarks zu beobachten, weil diese einfach zu stark aneinanderhaften. Doch als elemen-

tar kann man Protonen eben nicht mehr bezeichnen.

Protonen sind auch keine unzerstörbaren Quantitäten. Wenn man sie etwa mit hoher

Geschwindigkeit aufeinanderprallen lässt – wie das beim weltgrößten Teilchenbe-

schleuniger LHC am europäischen Forschungszentrum Cern jeden Tag geschieht –,

dann zerplatzen sie zu einem Schwarm aus vielen verschiedenen Teilchen. Und die bei-

den ursprünglichen Protonen gibt es einfach nicht mehr. Das ist wahrlich nicht elemen-

tar.

Die Frage von Teilbarkeit oder Nichtteilbarkeit zieht sich durch die ganze Geschichte

der Physik. Lange Zeit galt das Atom als die kleinste, nicht teilbare Einheit der Materie

– eben als Grundeinheit eines chemischen Elements. Doch seit der Entdeckung der

Kernspaltung durch Otto Hahn im Jahr 1938 ist klar, dass so elementar die Atome – o-

der genauer gesagt die Atomkerne – dann doch nicht sind.

"Physiker kriegen eben alles kaputt"

https://www.welt.de/themen/huehner/

Radioaktive Stoffe zerfallen ganz von allein, und mit "roher Gewalt", also beispielsweise

durch Bestrahlung mit Neutronen, lässt sich fast jeder Atomkern zertrümmern. "Physi-

ker kriegen eben alles kaputt" ist ein flotter Spruch, der früher unter Studenten dieser

Disziplin durchaus im Umlauf war.

Ein Beitrag in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" macht deutlich, dass

selbst das als punktförmig geltende Elektron unter bestimmten Umständen nicht mehr

als perfekt elementar erscheint.

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin und anderer Forschungsinstitute konn-

ten unter der Federführung von Justine Schlappa nachweisen, dass sich Elektronen in

bestimmten Festkörpern in sogenannte Quasiteilchen aufspalten, welche dann die Trä-

ger von Teileigenschaften des Elektrons sind.

Plötzlich scheinen sich Partikel nur mit Spin und solche nur mit dem Orbitalmoment

des Elektrons unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten

zu bewegen. Die Physiker tauften die "Sub-Elektronen" auf Spinon und Orbiton.

Elektron hat magnetischen Nord- und Südpol

Der Spin eines Elektrons lässt sich als Eigenrotation veranschaulichen, die zu einem

kleinen Magnetfeld führt. Jedes Elektron hat in diesem Sinne einen magnetischen

Nord- und Südpol – ähnlich wie die Erde.

Da Elektronen in einem Atom und auch in einem Festkörper zusätzlich um die Atom-

kerne schwirren, entsteht durch diesen "elektrischen Strom" ein weiteres Magnetfeld –

das Orbitalmoment. Die Trennung von Spin und Orbitalmoment lässt sich als kollekti-

ver Effekt aller Elektronen verstehen.

"Ähnlich wie die scheinbar der Schwerkraft entgegengesetzte Bewegung einer Gasblase

nach oben in einem Glas mit Sprudel eine Folge der kollektiven Fallbewegung der um-

gebenden Wassermoleküle ist", erklärt Professor Ralph Claessen von der Universität

Würzburg.

Bereits vor 15 Jahren war es Forschern gelungen, in einem sogenannten Nanodraht –

der einen Durchmesser von nur einigen Atomen besitzt – Ladung und Spin von Elektro-

nen zu separieren. Das Quasiteilchen für die Ladung wurde damals Holon getauft.

Experimente mit recht exotischer Situation

Die jüngsten Experimente wurden indes nicht an Nanodrähten, sondern in Strontium-

Kupferoxid (Sr2CuO3) durchgeführt, dessen Kristalle eindimensionale Strukturen ent-

halten, in denen sich die Elektronen bewegen. Hier wie dort sind die Elektronen also in

einem "eindimensionalen Draht" eingesperrt – eine recht exotische Situation.

Holon, Spinon und Orbiton wird man wohl nie als freie eigenständige Teilchen be-

obachten können. Sie sind ein Phänomen, das offenbar nur innerhalb von Materie und

auch nur unter bestimmten Bedingungen auftreten kann.

Das bedeutet aber nicht, dass ihre Existenz keine praktischen Konsequenzen haben

könnte. Da die Miniaturisierung der Elektronik immer weiter voranschreitet und die

Nutzung von Nanodrähten und Nanostrukturen in Schaltkreisen keine Utopie mehr ist,

wird man an dieser Stelle die Eigenschaften der drei "Sub-Elektronen" wohl berücksich-

tigen müssen.

Auch für das Verständnis der sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter, in denen

Strom ohne Widerstand fließt, könnten Holon, Spinon und Orbiton eine wichtige Rolle

spielen. Denn die eindimensionalen Strukturen dieser Materialien sind jenen von

Sr2CuO3-Kristallen sehr ähnlich.

Der Geist scheint nicht länger als zufälliger Eindringling in den Bereich der Materie zu sein.

Wir sollten ihn eher als Schöpfer und Lenker des Bereichs Materie begreifen.