Gerhard Staguhn: Quarks, Atome, Moleküle

Dieses Buch war ein Zufallskauf. Wir hatten vor dem Beginn des Films noch etwa eine halbe Stunde Zeit, und da sich in demselben Einkaufszentrum, in dem das Kino war, auch ein Buchladen befand, stöberten wir etwas darin herum. Im Nachhinein bin ich recht zufrieden mit meinem spontanen Griff ins Regal. Angetan war ich schon auf den ersten Seiten:

Die vier Elemente in der antiken Philosophie decken sich sehr schön mit der modernen Vorstellung von den drei Zustandsformen der Materie, wobei das Licht (= Feuer) zur Materie noch hinzukommt. Die Zustandsform »fest« entspräche der »Erde«, »flüssig« dem »Wasser« und »gasförmig« der »Luft«. Das Licht nimmt eine Sonderstellung ein, da es streng genommen nicht Materie ist; es gibt feste, flüssige und gasförmige Stoffe, aber keine Licht-Stoffe. Licht ist keine Erscheinungsform von Materie, sondern eine Folge von Materie. Materie, egal ob fest, flüssig oder gasförmig, kann Licht aussenden, muss aber nicht. Licht ist unlösbar mit der Materie verbunden. Gäbe es kein Licht, würden bestimmte Eigenschaften der Materie, etwa die Farbe von Stoffen, gar nicht existieren. Ein ganz bestimmter Bereich der Materie auf unserer Erde, nämlich die lebendige Materie in Gestalt von Pflanzen, Tieren und Menschen, ist ohne das Licht nicht denkbar.

Diese antike Vorstellung von den vier Urelementen findet man in vielen Einführungen der Philosophie, aber bis jetzt hatte ich für diese alte Vorstellung der Griechen noch nirgends eine plausible Erklärung gelesen. Auch die Antwort des Autors auf die Frage „Warum sind die Atome so klein?“ ist (be)merkenswert:

Warum sind die Atome so klein? Doch so zu fragen ist, wie wir weiter oben schon festgestellt haben, nicht ganz richtig. Wir müssen fragen: Warum sind die Atome im Vergleich zu uns Menschen so klein? Die Frage zielt also auf das Verhältnis zweier Längen ab: der unseres Körpers und der des Atoms. Weil aber das Atom das Ursprünglichere ist und unser Organismus nur eine zeitlich sehr begrenzte Zusammenballung von Atomen darstellt, muss unsere Frage streng genommen lauten: Warum müssen unsere Körper im Vergleich zum Atom so groß sein?

Als Antwort wäre möglich: Damit wir die Atome nicht sehen, hören, fühlen oder schmecken können. Hier beißt sich die Gedankenkatze zwar in den Schwanz, aber es kommt dennoch eine ganz wichtige Wahrheit darin zum Ausdruck: Die Atome müssen so klein sein, damit unsere Sinnesorgane von ihnen unbeeindruckt bleiben. Wenn es nicht so wäre, wenn wir also derart empfindliche Sinnesorgane hätten, dass ein einzelnes Atom einen wahrnehmbaren Eindruck auf sie machen könnte — was für ein chaotisches Leben wäre das! Wir würden an dem atomaren Durcheinander um uns herum ganz irr werden. Eines wäre jedenfalls sicher: Ein derart feinsinniger Organismus wäre nicht in der Lage, im Gehirn jene Ordnung der Gedanken hervorzurufen, die nötig ist, um über die Welt der Atome nachzudenken. Er wäre nicht mal in der Lage, dieses Buch zu lesen, da ihn die Atome der Luft, die sich zwischen Auge und Buch befinden, fortwährend am Lesen hinderten. Wir sähen die Welt vor lauter Atomen nicht.

Von diesen eher philosophischen Erwägungen geht es dann in die Welt der Atome, also die Physik. Dabei werden zunächst die „klassischen“ Atommodelle vorgestellt. Ebenfalls noch quasiphilosophisch ist dieser Abschnitt aus dem Buch:

Atomkern und Elektron sind aber nicht nur Träger von Masse, sondern, wie gesagt, ebenso von elektrischer Ladung. Nun hat es die Natur so eingerichtet, dass auf dem Atomkern eine positive elektrische Ladung sitzt, auf dem Elektron eine negative. Warum das so ist, wissen wir nicht. Diese elektrischen Elementarladungen können wir also nicht weiter erklären; wir müssen sie einfach als eine elementare Tatsache der Natur akzeptieren. Wir können eine elektrische Ladung messen, zum Beispiel die eines Elektrons, aber wir können nicht sagen, warum sie gerade diesen Wert hat und keinen anderen. Ebenso wenig wissen wir, woher die Ladung kommt. … Mehr noch: Wir wissen nicht mal, was ein Elektron ist. Wir kennen zahlreiche Eigenschaften des Elektrons, doch sein innerstes Wesen bleibt unergründlich. Das ist ähnlich wie mit den Grundgrößen der Physik: Ladung, Masse oder Energie bleiben, soviel man auch über sie zu sagen weiß, letztlich Geheimnisse. Und die werden, wie der Physiker Robert Oppenheimer sagte, »mit dem Fortschritt der Wissenschaft nicht klarer werden, sondern immer unverständlicher«.

Das sehe ich genauso. Beobachtungen, Experimente und Messungen führen uns zu immer genaueren Kenntnissen. Die mathematischen Modelle erlauben Vorhersagen neuer Eigenschaften und geben Anregungen für neue Beobachtungen und Experimente. Aber bei der Beantwortung der Frage, was das eigentlich für Dinge sind, die wir beobachten, und was das Ganze für einen Sinn hat, führt es uns keinen Schritt weiter.

Nach dieser Einführung in die klassische Atomphysik (die nach der Entdeckung der Leptonen, Mesonen und Baryonen, aber vor der Entdeckung der Quarks) gibt es im Buch einen Exkurs in die Chemie. Hier hat mir vor allem das Kapitel über den (Wunder)Stoff Wasser gefallen. Die beiden Wasserstoffatome bilden mit dem zentralen Sauerstoffatom einen Winkel von 105°. Das führt dazu, dass das Wassermolekül aus großer Entfernung zwar, wie es sich für ein ordentliches Molekül gehört, elektrisch neutral ist, aus der Nähe aber als Dipol wirkt:

Bei einer gewöhnlichen Flüssigkeit bewegen sich, wie wir schon wissen, die einzelnen Moleküle vollkommen beliebig gegeneinander wie Kugeln in einem Behälter. Beim flüssigen Wasser ist es anders. Hier lagern sich die Moleküle nach einem festen Schema aneinander. Sie bilden bereits im flüssigen Zustand eine Art »lockeres Gitter« aus, ein »Flüssigkeitsgitter«, wenn man so will. Das klingt zwar nach einem Widerspruch in sich, aber genau das zeichnet das Wasser aus. Es ist ein widersprüchlicher, um nicht zu sagen: verrückter Stoff.

Diese Dipole sind unter anderem für die Temperaturanomalie des Wassers und für die im Vergleich zu anderen vergleichbaren Molekülen extrem hohen Schmelz- und Siedetemperaturen verantwortlich:

So nimmt das Volumen eines Stoffes im Durchschnitt um 10 Prozent ab, wenn er vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Für einen einzigen Stoff im ganzen Universum gilt das allerdings nicht, weshalb er auch wirklich ein einzigartiger Stoff ist: das Wasser. … Wasser hält sich nicht an das eben formulierte Naturgesetz, dass bei abnehmender Temperatur die Stoffe ihr Volumen verkleinern und bei zunehmender Temperatur vergrößern. Eis, also Wasser im festen Zustand, hat eine geringere Dichte, also ein größeres Volumen, als Wasser im flüssigen Zustand. Das ist auch der Grund, warum Eis schwimmt.

Tatsächlich hält sich aber auch das Wasser bei Abkühlung zuerst noch an das oben beschriebene Gesetz und wird immer dichter. Doch schlagartig, bei etwa 4 Grad Celsius, fängt es an, sich wieder auszudehnen, bis es bei 0 Grad Celsius fest wird. Doch das ist nicht die einzige Absonderlichkeit, die das Wasser auszeichnet. Eigentlich sollte Wasser wegen der Leichtigkeit seines Moleküls auf unserer Erde gar nicht als Flüssigkeit vorkommen. Bei Raumtemperatur sollte es längst kochen und zu Dampf werden, ähnlich wie sein nächster chemischer Verwandter, Ammoniak (NH₃), der bei 20 Grad Celsius längst ein Gas ist. Erst bei -93 Grad Celsius sollte Wasserdampf flüssig werden und der Gefrierpunkt läge entsprechend einige Grade darunter.

Wegen des bipolaren Aufbaus der Wassermoleküle ist Wasser in der Lage, viele Salze aufzulösen, und auch die Bedeutung des Wassers für das Leben kann gar nicht überschätzt werden:

Wasser ist ein ungemein lösungsfreudiger Stoff. Die polare Ladungsverteilung im Wassermolekül bewirkt, dass sich Salze im Wasser sofort in ihre Ionen auflösen, also zum Beispiel das Kochsalz (NaCl) in seine Ionen Na+ und Cl-, die sich dann locker an die negativen beziehungsweise positiven Pole der Wassermoleküle anlagern. Versucht man hingegen Kochsalz in einer Flüssigkeit wie Speiseöl aufzulösen, wird das nicht gelingen, zumindest nicht bei Zimmertemperatur.
…
Weil Wasser elektrische Pole hat, wirkt es also nicht nur auf andere polare Moleküle wie die der Salze, Säuren und von Zucker, sondern es tritt auch in Beziehung zu den Biomolekülen, also bestimmten Eiweißstoffen, aber auch zur Erbsubstanz DNS, dem Träger der genetischen Information in lebenden Zellen. Die riesigen Biomoleküle der DNS haben sowohl Bereiche, die »Wasser liebend«, als auch solche, die »Wasser meidend« sind. Die räumliche Gestalt dieser langen Molekülketten der DNS hängt unter anderem davon ab, wie sich die verschiedenen Bereiche dem Wasser gegenüber verhalten. Entsprechend falten sich die Molekülketten in Spiralform, wobei sich die »Wasser liebenden« Bereiche an der Oberfläche der Spirale anordnen, wo sie mit dem Wasser in Wechselwirkung treten können, während die »Wasser meidenden« Bereiche vom Wasser abgewandt im Innern der Spiralstruktur ihren Platz einnehmen. Die Form der DNS-Ketten hängt also direkt vom umgebenden Wasser ab. Das Wasser hält in gewisser Weise erst die Erb- und die lebenswichtigen Eiweißmoleküle zusammen. Für das chemische Verhalten der Eiweiß- und DNS-Moleküle ist der Stoff, in dem sie existieren — nämlich Wasser —, genauso wichtig wie sie selbst.

Nach diesem Exkurs in die Chemie ist die vollständige zweite Hälfte des Buchs der Quantenphysik gewidmet. Für mich war es ein völlig neuer Gedanke, dass einige Quarks, aus denen sich die bekannten Elementarteilchen 
zusammensetzen, dennoch schwerer als diese Elementarteilchen sind. Dieser Widerspruch lässt sich zwar mathematisch-physikalisch leicht dadurch erklären, dass Quarks nicht als freie Teilchen existieren und die Natur stets den energieärmsten Zustand anstrebt. Und wenn sich die Quarks unter Energieabgabe zu anderen Teilchen verbinden, dann entspricht eben diese Energie gemäß E=m*c² der überflüssigen Masse. Man kann es so erklären, aber begreifbar wird es dadurch nicht.

Das Buch ist in den Nuller Jahren unter dem Titel „Die Jagd nach dem kleinsten Baustein der Welt“ erschienen, also vor der Inbetriebnahme des LHC in Genf und vor der Entdeckung des Higgs-Teilchens. Deshalb liest man auch:

Doch was, wenn auch der LHC nicht alle der vermeintlich letzten Rätsel lösen wird? Wie lange werden die beteiligten Nationen jährlich eine Milliarde Mark aufbringen, um den laufenden Betrieb des LHC zu finanzieren? Ein gewaltiger Aufwand, allein zu dem Zweck, ein Teilchen mit Namen »Higgs« zu finden, von dem niemand weiß, ob es dieses überhaupt gibt, um dann sagen zu können, wie die Quarks oder Elektronen zu ihren Massen kommen, wieso es gerade drei Familien von Quarks gibt, wieso gerade vier Elementarkräfte im Universum wirksam sind, wieso das Proton eine gleich große, aber entgegengesetzte Ladung wie das Elektron hat und wieso sich bis jetzt die Schwerkraft einer quantenmechanischen Beschreibung widersetzt?
…
Dass dieser gigantische Aufwand betrieben wird, zeigt schon, dass es hier wirklich um etwas Endgültiges zu gehen scheint. Zweifel sind dennoch angebracht — und sie werden von Wissenschaftlern außerhalb des CERN auch geäußert.

Aber selbst wenn das »Higgs-Teilchen« gefunden würde, hieße das längst nicht, dass man damit den Ur-Baustein der Materie entdeckt hätte. Hinter dem »Higgs« tauchte womöglich ein »Super-Higgs« auf. Physiker sprechen von »Superstrings« – winzigen, zusammenge-knäuelten Gebilden mit 10 oder 11 Dimensionen, die in keiner noch so gewaltigen Beschleunigeranlage nachzuweisen wären. Das heißt, theoretisch kann man die Ausmaße einer solchen Anlage grob angeben: Sie müsste den astronomischen Umfang von 1000 Lichtjahren haben.

Und so wie das Buch „philosophisch“ begonnen hat, so endet es auch:

Wer weiß, ob zur Lösung aller Rätsel der Materie letztlich nicht eine Beschleunigeranlage von der Größe des Universums nötig wäre, wobei Protonen mit der Gesamtenergie des Universums aufeinander prallen müssten. Das führte dann vermutlich zu nichts anderem als einem Urknall, wie er vor 13 Milliarden Jahren stattfand — und das Universum hervorbrachte.

Den letzten Abschnitt kann man vielleicht auch anders formulieren: Wer weiß, ob das Universum nicht eine riesige Beschleunigeranlage ist, in der zur Zeit ein gigantisches, wahrhaft universelles Experiment läuft?

Der Autor des Buchs, Gerhard Staguhn, ist weder Physiker noch Chemiker, sondern hat Germanistik und Religionswissenschaft studiert. Das merkt man seinem Buch auch auf eine angenehme Weise an. Wahrscheinlich weil er sich sein Wissen aus „Laiensicht“ angeeignet hat, kann er Zusammenhänge für Laien besser darstellen als Physiker vom Fach.

Gastbeitrag von: Dr. Ralf Poschmann

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