Abenteuer Forschung – Das Neue Bild der Welt #01/06

welt die ihn umgibt es wird hauptsächlich geprägt von den abläufen in der natürlichen umwelt aber auch naturwissenschaftliche kenntnisse finden immer mehr eingang in das individuelle weltbild von den letzten jahren ist auf diesem gebiet in den naturwissenschaften sehr viel passiert der schlüssel zu den naturwissenschaftlichen weltbildern allerdings ist eine mathematische formel sprache zwar ist sie prinzipiell jedem zugänglich aber viele scheuen die beschwerlichkeiten des erlernens dieser formensprache und wir wollen ihn deshalb einmal die neuen ergebnisse der naturwissenschaften die das weltbild so entscheidend beeinflussen in eine optische sprache übersetzt präsentieren ein mosaikstein kommt aus der tiefe des weltalls das geht nicht indem man nur einfach planeten oder entfernte galaxien beobachtet sondern wir bekommen botschaften aus entfernten teilen des universums und glaubt ihr immer das licht der träger dieser botschaft wäre aber dabei gibt es auch überraschungen die nacht gehört den sterngucker eine zeitraffer aufnahme des sternenhimmels von der sich drehenden erde aus betrachtet mit empfindlichen kameras können die namen planeten beobachtet werden saturn für jupiter der mars mit einem weißen kohl aber es ist uns auch schon gelungen eine nahe gelegenen himmelskörper direkt in augenschein zu nehmen die landung auf dem mond brachte allerdings außerdem stolz auf die technische leistung keine allzu großen überraschungen unbemannte raumsonden erforschten die meere umgebung unseres planeten und funken die messdaten zur erde aber unser sonnensystem ist nur ein winziger punkt in der unendlichkeit des universums will man etwas über andere bereiche unserer galaxie oder gar über andere spiralen nebel im weltall wissen sind wir auf informationen angewiesen die diese gebilde von sich aus abgeben das licht dass einige dieser objekte abstrahlen ist eine möglichkeit überhaupt etwas von den fantastischen vorgängen im universum zu erfahren so wissen wir dass es doppelsterne in der tiefe des weltalls gibt aber gewaltigen explosionen können sich neue leuchtende objekte bilden sie senden licht aus aber in ihrem innern finden auch aufregende atomare prozesse statt die materie teilchen mit hohen geschwindigkeiten in die weite des universums schicken überhaupt scheinen die grenzen zwischen strahlung und materie im innern dieser sterne zu verschwinden das was im innern eines sternes vorgeht enthüllt die analyse der von ihm abgegebenen strahlung und der materie teilchen diese informationsträger wandern durch das weltall einige von ihnen werden von himmelskörpern verschluckt andere durchdringen sie problemlos und ein teil gelangt schließlich auch zu dem winzigen punkt im universum auf dem wir leben zur erde diese materie teilchen die aus der tiefe des weltalls die erde treffen kann man hier auch registrieren was ihr mir sehen das ist eine funken kamera sie besteht aus metallplatten anliegen metallplatten wird eine elektrische spannung angelegt das ganze befindet sich in einem gasgemisch und sie sehen dann solche leuchtspuren diese leuchtspuren zeigen teilchen aus der höhenstrahlung an die elektrische spannung beeinflusst manchmal unsere kameras und deshalb wackelt etwas das bild und diese langen spuren das sind so genanntem ionen elektronen ähnliche

teilchen nur ihre masse ist weitaus größer als die der elektronen die höhenstrahlung trifft ja auch unseren körper es kann zu biologischen schäden kommen aber unser organismus ist ja so eingerichtet dass diese schäden selbst ständig repariert werden können wir können uns mal die höhenstrahlung genauer anschauen hier haben wir so eine grafik hier trifft an teilchen aus dem weltall ein proton zum beispiel auf die luftmoleküle und dann entsteht eine ganze kaskade von teilchen und einige gelangen hier unten auf die erdoberfläche das hier zum beispiel ist die spur eines mühe und sehr interessant ist es sich hier oben mal in dieser region etwas umzuschauen sie sehen hier entsteht ein teilchen ein elektron und sofort entsteht auch ein antiteilchen das nennt man positon diese beiden teilchen unterscheiden sich nur in der elektrischen ladung und dann kommt es zu etwas sehr erstaunlichen diese beiden teilchen zusammen zerstrahlen dann zu reiner energie das soll dieses symbol angeben das heißt materie und antimaterie zerstrahlen zu energie materie wird umgewandelt in rheine energie sehr erstaunlich aber es gibt auch die umkehrung dann nämlich wenn reine energie strahlung hier also sehr hoch energetisches licht plötzlich zu zwei teilchen sich formt und zwar zu einem elektron und dem dazugehörigen antiteilchen dem position es gibt also auch die umkehrung das aus reiner strahlung aus hoch energetischen licht materie entstehen kann und das ist so erstaunlich dass wir uns das noch mal genauer anschauen würde trifft ein elektron auch sein anti teilchen das positon so zerstrahlen sie zurzeit photonen ein beispiel dafür dass materie in energie umgewandelt treffen zwei energiereiche photonen im elektrischen feld eines atomkerns aufeinander so können sie sich vernichten und es entstehen daraus materieteilchen ein elektron und ein positiv diese umwandlung kommt nur zustande wenn die photonen die der entstehenden masse entsprechende energie besitzen jedes teilchen besitzt sein anti teilchen und wenn beide zusammen treffen dann zerstrahlen sie zu reiner energie und wenn man die entsprechend energiereiche strahlung hat dann kann man damit auch materieteilchen aufbauen und diese naturwissenschaftliche erkenntnis wird von einigen new age anhängern missbraucht sie sagen das wäre der naturwissenschaftliche beweis für die reinkarnation wie stellen sich vor dass die verstorbene in geistige energie übergehen und dass diese geistige energie sich dann irgendwann wieder materialisieren kann das heißt also der körper daraus entstehen kann das was wir ihnen hier gezeigt haben hat damit überhaupt nichts zu tun wichtig ist allerdings der fließende übergang zwischen strahlung und materie bei der entstehung des weltalls sie wissen dass nach einer gängigen vorstellung das weltall aus dem urknall entstanden sein soll eine unglaublich hohe energie konzentration die sich dann ausdehnte materie ist so entstanden materie wie wir sie kennen zum beispiel atome ein atom besteht aus elektronen und einem atomkern der atomkern setzt sich zusammen aus protonen und neutronen aber die kleinsten bausteine eines atomkerns sind ganz andere es sind quarks das heißt wenn man ein proton aufmacht dann sieht man dass dieses proton wieder aus drei teilchen zusammengesetzt ist und zwar aus den sogenannten quarks und zu den quarks entstehen oder existieren wieder antiquar und wenn die beiden zusammenkommen dann zerstrahlen sie wieder in rheine energie und das ist ein wichtiger vorgang bei der entstehung unseres weltalls und der materie wie wir sie kennen mit dem urknall entwickelten sich aus einer unvorstellbar hohen energie konzentration der raum und die zeit in der busse befinden sich strahlung und materie teilchen die sich bei diesen hohen temperaturen ständig neu bilden oder vernichten dann nach einer milliardstel sekunde geschieht etwas für unsere existenz wichtiges aus der strahlung bilden sich bevorzugt zwei teilchen quarks & antiques materie und antimaterie vernichten sich jedoch prinzipiell und zerstrahlen zu photonen so geschieht das auch hier aber durch einen glücklichen zufall gibt

es etwas mehr quarks als antiquar so dass einige quarks übrig bleiben sie sind die bausteine für unsere heutige materie das universum dehnt sich weiter aus und kühlt dabei ab je drei quarks finden sich zu den kern bausteinen zusammen zu protonen und neutronen das universum ist jetzt fast eine sekunde alt wann wieder ein wichtiger prozess protonen und neutronen bilden die atomkerne helium und wasserstoff kerne entstehen o jetzt gewinnen die elektronen an bedeutung in den folgenden minuten fangen die entstandenen kerne elektronen 1 die atome entstehen wasserstoff und helium außerdem können durch diesen prozess die photonen die strahlung die vorher amt in elektronen besteuert worden jetzt ungestört das weltall durchwandern das universum wird durchsichtig in den folgenden 15 milliarden jahren kann sich die materie zu den galaxien zusammen finden in sternhaufen kommt es immer wieder zu explosionen in denen die übrigen elemente unseres universums entstehen als sich das universum immer weiter ausdehnen die kühlte es ja ab und da entstanden bedingungen dass einige teilchen stabil existieren konnten das stabilste teilchen das wir kennen ist das proton das proton ist ein bestandteil des atomkerns dann gibt es noch als stabiles teilchen im atomkern das neutron als freies neutron wäre es instabil und ein anderes stabiles teilchen ist das elektron und sie sehen genau diese teilchen setzen unsere materie zusammen und es gibt noch eine überraschung eigentlich müsste man sich ja vorstellen dass zu beginn des universums es genauso viel antimaterie teilchen gab wie materie teilchen und wenn sie aufeinander trafen dann müssten sie sich gegenseitig vernichtet haben aber durch eine wunderbare asymmetrie gab es etwas näher materieteilchen als antimaterie teilchen das verhältnis ist in etwa so dass wenn eine milliarde teilchen zerstrahlen blieb ein materieteilchen übrig und deshalb gibt es die materie so wie wir sie heute kennen nur naturwissenschaften zeichnen nicht ein vollständiges bild von der dinglichen welt es gibt nur immer teilaspekte die man erklären kann und wenn man mal ins weltall hinaus schaut dann sieht man ja die galaxien leuchtenden materie spiral nebel die ungezählt rum rotieren und da gibt es auch eine überraschung da physikalischen gesetzen müsste man annehmen dass die äußeren bereiche dieser spirale nehmen nebel langsam rotieren als die inneren aber was man beobachtet ist dass sie gleich schnell sind und gleich schnell rotieren und das ist ein hinweis auf eine unbekannte art von materie auf die dunkle materie wenn wir auf das zentrum unserer galaxie schauen so ist von einer rotation der spirale aus sternen nichts zu bemerken aber genaue beobachtungen anderer galaxien haben gezeigt dass sie um den mittelpunkt rotieren zunächst immer davon aus dass fast die gesamte materie in einer galaxie auch leuchtet also licht abstrahlt bei der mutation müssten die äußeren bereiche des spiral nebels zurück bleiben aber messungen an einigen galaxien zeigen dass diese erwartete gesetzmäßigkeit nicht zu beobachten ist die äußeren bereiche drehen sich unerwartet schnell ein hinweis darauf dass in diesen galaxien noch zusätzliche dunkle nicht leuchtende materie in einem hohen prozentsatz vorhanden sein müsste von welcher art nun diese dunkle materie ist das weiß man nicht vor einigen jahren war neutrinos eine bestimmte teilchen sorte die favoriten aber davon ist man offenbar abgekommen aber wenn man sich den fließenden übergang zwischen strahlung und materie einmal betrachtet dann ist es durchaus denkbar dass auch eine für uns unbekannte materie art irgendwo entstanden ist und

im universum für uns unsichtbar vorhanden ist nun wie viel materie im universum vorhanden ist das entscheidet über die zukunft des universums im augenblick geht man ja davon aus dass nach diesem urknall immer weiter die galaxien auseinandertreiben das universum also immer größere und wenn jetzt sehr viel materie hier vorhanden ist dann wird ja die gravitationskraft der mit materie verbunden ist dazu beitragen diese ausdehnung zu bremsen das heißt irgendwann wird dieses universum dieser in sich zusammenfallen aufgrund dieser gravitationskraft aber die beobachtete materie die wir hier in den leuchtenden galaxien sehen ist nur sehr gering über 90 prozent fehlen von der materie die dazu notwendig ist damit dieses geschlossene weltall wieder in sich zusammenfällt im augenblick müsste man also davon ausgehen dass das universum sich bis ins unendliche immer weiter auf bleibt und diese fließende übergang zwischen strahlung und materie den kann man auch hier auf der erde produzieren hier habe ich wieder unsere funken kammer und in den 40er jahren hat man die höhenstrahlung analysiert und hat gesehen dass es weitaus mehr teilchen als du die protonen neutronen und elektronen gibt und dann ist man auf die idee gekommen teilchen einfach aufeinander zu schießen in einem beschleuniger dadurch entsteht ein energie blitz und aus diesem energie blitz kann jeder aus dieser strahlung materie anderer art entstehen und wie das aussieht das zeigen wir ihn jetzt so sieht ein typischer beschleunigerring aus der luft betrachtet aus in seinem innern werden in einer dünnen evakuierten röhre elektrisch geladene teilchen mit hilfe von elektrischen feldern auf geschwindigkeit gebracht detektoren die im prinzip keine funken kammer funktionieren messen die teilchen und strahlung die nach dem zusammenprall der schnellen ausgangs teilchen dem mini urknall neu entstehen das in aufnahmen aus einer blasen kammer in der die neu entstandenen elektrisch geladenen teilchen eine spur hinter sich her gezogen habe nicht die teilchen selbst sondern nur ihre spuren werden beobachtet computer registrieren die daten dieser teilchen hier der querschnitt eines detektors und die spuren des mini urknalls die daten eines jeden zusammenpralls werden auf magnetbändern gespeichert und stehen zur auswertung jederzeit zur verfügung in diesem computer prägt wird dargestellt was in einem beschleunigerring geschieht die elektrisch geladenen teilchen zum beispiel protonen werden durch entsprechend synchronisierte elektrische felder beschleunigt bis sie die lichtgeschwindigkeit erreicht haben die spuren der neu entstandenen teilchen werden vom computer registriert mit seiner hilfe kann man auch nur die spuren bei einem zusammenprall auswählen die für ein bestimmtes experiment wichtig sind die intelligente konstruktion des detektors ermöglicht es die für ein experiment wichtigen teilchen überhaupt erst zu registrieren mit solchen beschleunigern konnte man in den letzten jahrzehnten zum beispiel näheren aufschluss über die zusammensetzung der bausteine der materie erhalten so weiß man heute dass die kleinsten teile eines atomkerns nicht die protonen und neutronen sind sondern dass diese sich aus je drei quarks zusammensetzen ob diese quarks noch weiter treiber sind ist eine offene frage um noch höhere energien beim zusammenprall zu erzeugen werden immer größere beschleuniger konzipiert teilchen werden auf gegenläufige umlaufbahnen beschleunigt um dann beim zusammenprall die doppelte energie zur verfügung zu haben

aus dem mini urknall aus dem entstehenden strahlungs blitz bilden sich kaskaden von neuen teilchen um die teilchen die im beschleuniger entstehen registrieren zu können muss man spezielle detektoren entwickeln sie alle leiten sich so ungefähr von einer solchen funken kammer ab in den letzten jahrzehnten ist auf diesem gebiet viel passiert und in der folgewoche gab es ja auch den nobelpreis für physik für die entwicklung solcher detektoren für den französischen physiker georges braque und die energie konzentrationen die man in einem beschleuniger durch das aufeinanderprallen von teilchen erreichen kann sind bei weitem nicht so hoch wie die energie konzentration während des urknalls und man weiß auch durch rechnungen dass man diese energie konzentrationen nie erreichen wird am beschleuniger müsste zehn licht jahre lang sein um solche energie konzentration überhaupt erzeugen zu können das werden wir also nie erreichen man muss also neue mosaiksteinchen suchen man hat nicht die möglichkeit des direkten nachweis wie es während des urknalls wirklich ausgesehen hat sondern man kann nur versuchen es mit indirekten nachweisen zu versuchen um das neue bild der welt der naturwissenschaftler abzusichern guten abend