Fast alles ist nahezu nichts (Mikrokosmos)

Folgender Text ist vor gut einem Jahr (in etwa solange gibt es diese Seite bereits) als Aufsatz erschienen. Da er mir mittlerweile aber eher in die Reihe der Blogeinträge zu passen scheint habe ich ihn als Aufsatz gelöscht und veröffentliche ihn hier.

Mithilfe eines radioaktiven Stoffes innerhalb eines Bleiblocks erzeugten Ernest Rutherford, Hans Geiger und Ernest Marsden Anfang des 20. Jahrhunderts Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung. Die Alphastrahlen richteten sie senkrecht auf eine sehr dünne Goldfolie.

Nahezu alle Alphateilchen gingen ungehindert durch diese Folie hindurch. Einige wenige (≈1 von 10.000) änderten beim Passieren der Folie ihre Bewegungsrichtung und vereinzelt wurden sogar Alpha- Teilchen zurück gestreut.

Von der Streuung der Alpha-Teilchen an der Goldfolie lässt sich auf die Beschaffenheit der Gold-Atomkerne (Streuzentrum) rückschließen. Bisher stellte man sich das Atom als ein Konstrukt gleichmäßig verteilter, positiv geladener Masse, in der sich negativ geladene Elektronen bewegen, vor (thomsonsches Atommodell). Die Ergebnisse ihres Experiments führten Rutherford, Geiger und Marsden jedoch zu einem komplett anderen Verständnis des Atomaufbaus:

Dass die gesamte positive Ladung eines Atoms auf einem winzigen Volumen, einen Raum viel kleiner als das Atom selbst, konzentriert ist (im sog. „Atomkern.“)

Dabei entspricht die positive Ladung des Atomkerns in ihrer Größe der negativen Ladung der Atomhülle (bestehend aus Elektronen), sodass Atomkern (Protonen und Neutronen, bzw. Nukleonen) und Elektronen zusammen im Normalfall ein elektrisch neutrales Atom bilden.

Dieser Rückschluss konnte erklären, wie die positive Ladung eines Atoms den Bruchteil der positiv geladenen Alphateilchen ablenkt, die den Atomkern tangieren, einen noch geringeren Teil von genau den Teilchen, die frontal auf den Atomkern auftreffen, in ihrer Bahn zurückwirft und den Großteil passieren lässt.

Heute „weiß“ man, dass Rutherford mit seiner Vorstellung, der Atomkern nehme nur einen winzigen Raum innerhalb eines Atoms ein, indem sich aber der Großteil seiner Masse konzentriere, richtig lag.                               

Genau genommen, beträgt der Durchmesser des Atomkerns nur in etwa ¹/_10.000 bis ¹/_100.000 des Durchmessers der Atomhülle. In diesem Teil des Atoms verdichtet sich jedoch 99,9% seiner gesamten Masse.

Betrachten wir beispielsweise das einfachste Atom überhaupt – das Wasserstoffatom.

Dieses ist ca. 32 ·  10^-12m „groß“, sein Atomkern jedoch allein ca. 10^-15m.          

(Genau genommen hat ein Atom keinen konstanten Radius und daher auch keine feste Größe.)

Nun kann unser Gehirn (vermutlich, da es evolutionär bis vor „kurzem“ nie erwartet wurde) solch große Zahlen zwar lesen und mit ihnen rechnen, jedoch nicht wirklich „greifen“. Wenn ich in den Nachrichten von Millionen- oder Milliardenschweren Rettungspaketen höre, macht mein Gehirn zwischen diesen keinen allzu großen emotionalen Unterschied. Es ist erst einmal viel Geld. (Jeder Cent ist meiner Meinung nach bereits zu viel, siehe „Ökonomie.“)

Deshalb möchte ich mich, um das Größenverhältnis zwischen Atom und Atomkern zu veranschaulichen, um ein „greifbares“ Bild bemühen:

Stellen sie sich vor, man würde den Durchmesser eines Atoms auf die Höhe des Eifelturms (324m) „strecken“. Dann entspreche die relative Größe des Atomkerns zu diesem 324m großen Atom der eines Streichholzkopfes, ca. 0,005m (Faktor 10⁵).

Die umherfliegenden Staubkörner (ca. 0,0001m) symbolisierten hierbei dann die Größe der Elektronen.

Nun besteht unsere alltägliche(!), materielle Welt (alles außer Licht, Elektronenstrahlen u.ä.) vermutlich ausnahmslos aus Atomen. Weshalb sich mir die Frage aufdrängt, was den zwischen Atomkern und Atomhülle ist? Woraus der Löwenanteil aller Materie besteht?

# „Wir bestehen aus Atomkernen, Elektronen und .. ..?

Die landläufige Antwort auf diese Fragen: Nichts.               

Doch möchte ich erläutern, weshalb diese Vertreter dieser Auffassung meiner Auffassung nach nicht „nichtig genug vom Nichts denken.“  

Zwischen Atomkern und Atomhülle ist nicht Nichts. 

Wegen seinem anschaulichen Charakter, haben wir bisher das bohrsche Atommodell benutzt, um uns ein Bild vom Innenleben eines Atoms zu machen. Dieses Modell stellt das Atom als eine Art Sonnensystem da, wobei sich die Elektronen wie Planeten kreisförmig (und strahlungsfrei) um den Atomkern bewegen.

Diese Vorstellung ist jedoch in vielerlei Hinsicht irreleitend und schlichtweg falsch.

Zwischen Teilchen, im scheinbar leeren Raum, wirken verschiedene Kräfte, emittieren Strahlung usw. Man mag sich diese als Felder oder sonst wie vorstellen. Sie sind faktisch nicht nichts, da sie etwas bewirken.

Am signifikantesten zeigt sich jedoch bei Betrachtung der Quantenfluktuationen, dass sich im scheinbaren nichts sehr wohl einiges tut. Es entstehen Teilchen-Antiteilchen-Paare aus diesem „Nichts“ heraus und zerfallen sogleich nach sehr kurze Zeit wieder. Die Quantenphysiker nennen die entstandenen Teilchen virtuelle Teilchen. Dieser Terminus suggeriert jedoch, dass man diesen Teilchen keine Realität zu zuschreiben könnte. Unter anderem der Casimir-Effekt  zeigt aber, dass diese Teilchen sehr reale und messbare Wirkungen, die ihre eigene Existenz überdauern, haben.                                                                                    

Ich würde von dem her vorschlagen lieber von „potentiellen Teilchen“ zu reden.

Nach etablierten Theorien der Quantenphysik besteht das beschriebene Vakuum also aus einem Meer potentieller Teilchen, die mithilfe von geringer Energieanstößen realisiert werden können!                                                                     

                            # Dem augenscheinlichen Nichts – diesen 99,99..% -                                              wohnen unheimliche potentielle Energie und Realität inne.                           

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich der Großteil der Masse eines Atoms zwar in seinem Kern  konzentriert*. Und ein Teilchen (Alphastrahlen), dass durch den Elektronennebel hindurchgeschossen wird von diesem ähnlich wenig beeinflusst wird wie ein Flugzeug, dass durch eine Wolke** fliegt. Doch wie der Pilot des Flugzeugs nicht die Existenz der Wolke leugnen kann, so können wir nicht behaupten, da wäre „Nichts.“ Vielmehr fehlt uns, ähnlich dem Piloten, schlichtweg der nötige Durchblick.   

*Neutronen und Protonen haben in etwa die gleiche Masse. Ein Elektron jedoch nur ca. 0,5 Promille der Masse der anderen beiden Elementarteilchen. Weshalb der Atomkern, bestehend aus Protonen und Neutronen, den Großteil der Masse des Atoms ausmacht.                                                                        

**Auch diese Analogie der Wolke ist mehr schlecht als recht. Unsere Alltagserfahrung bietet einfach nichts mit der Quantenwelt vergleichbares.

Selbst wenn man vom bohrschen, veralteten Atommodell ausgeht und die elektrischen Felder ignoriert usw., ist zwischen Atomkern und Atommodell immer noch nicht „Nichts“:

Nichts ist Nichts und nicht mehr. Wenn wir von einer Variabel X nun Nichts subtrahieren (abziehen) ist das Ergebnis dieser Rechnung identisch mit X.

Ziehen wir von unserem „gestrecktem“ Atom jedoch dieses „Etwas*“ zwischen Atomkern und Atomhülle ab, bleibt von dem eiffelturmgroßen Gebilde nur noch „ein Streichholzkopf und ein paar Staubkörner“ übrig.  

(*wir werden bald noch eine bessere Bezeichnung dafür finden.)

Um herauszufinden, ob – und wenn ja was dieses „Etwas“ ist bzw. sein könnte müssen wir erkennen, was durch das Abziehen dieses Etwas vom Atom, vom Atom verloren geht.      

Durch das Abziehen dieses „Etwas“ verliert das Atom an Größe bzw. räumlicher Ausdehnung.

Zwischen Atomkern und Atomhülle befindet sich zunächst einmal Raum, (siehe hierzu meine vorläufige Definition von Raum unter dem Punkt „(Begriffs-)Definitionen“ in „Raum & Zeit“.) Weite Teile der modernen Wissenschaft vermuten, dass dieses Raum-Zeit-Kontinuum leer / masselos ist, sprich ein Vakuum ist. Das Vakuum wird von vielen gerne, aber fälschlicherweise als „Nichts“ bezeichnet. Dabei ist Nichts nach meiner Auffassung die Negation von allem, auch von Raum. (Näheres zu meiner Auffassung vom Nichts können sie unter „Das Nichts“ nachlesen.)

# "Nahezu materielose Materie."

Dieser Raum ist nicht nichts. Er ist zunächst einmal sicher Raum und kann darüber hinaus eventuell auch noch viel mehr sein und / oder enthalten. Vielleicht ist der Raum zwischen Atomkern und Atomhülle leer. Vielleicht beinhaltet er aber auch etwas, was wir (noch?) nicht messen können.

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